Três torres de discos rígidos estão na mesa de Shan Dou. Preenchidos em apenas alguns meses, eles contêm cerca de 500 terabytes de dados sísmicos. É uma quantidade espantosa e enorme de dados para coletar e processar - um pouco mais do que a quantidade atualmente mantida no repositório nacional de dados sísmicos, que tem um arquivo datado de 1970.
De onde vem toda essa informação? A resposta está sob seus pés: fibra ótica.
Dou é pesquisador de pós-doutorado do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, trabalhando para colocar os milhares de quilômetros de cabos de fibra óptica que atravessam o mundo para usar em consciência geológica - monitoramento de deslizamentos de terra, quedas de permafrost, buracos e até mesmo mudanças no dióxido de carbono injetado. Mas em um novo estudo, baseado no trabalho fundamental de Dou e publicado no mês passado na revista Geophysical Research Letters, os pesquisadores se concentraram no potencial e na versatilidade das fibras para detectar um perigo em particular: terremotos.
Para detectar os pequenos tremores no solo, os pesquisadores geralmente usam instrumentos sensíveis chamados sismômetros. Mas cada uma dessas unidades pode ser cara de instalar e difícil de manter. E nem sempre são viáveis de usar, explica Nate Lindsey, um estudante de doutorado na Universidade da Califórnia, Laboratório Sismológico de Berkeley e principal autor do novo estudo. "Há áreas em que pode ser importante colocar um sismógrafo - estou pensando no exterior, estou pensando em áreas urbanas - onde é ... difícil do ponto de vista logístico e do ponto de vista da segurança", diz ele.
Nate Lindsey corta o cabo na estação Richmond Field (Cortesia Jonathan Ajo-Franklin) É aí que entram as fibras ópticas - e as montanhas de dados -. Milhares de linhas de fibra óptica atravessam nosso país, estendendo-se até mesmo nos oceanos. Então, se os pesquisadores puderem aproveitar esse sistema para monitorar o terremoto, ele oferece uma quantidade sem precedentes de informações, diz Dou, que trabalhou com Lindsey na UC Berkeley enquanto terminava seu doutorado.
A ideia é bem simples. Muitas empresas de fibra ótica instalam mais cabos de fibra ótica do que precisam, resultando em um sistema das chamadas "fibras escuras" - fibras reunidas em conduítes subterrâneos - que poderiam ser usadas para propósitos alternativos, como a detecção de terremotos. Mas cada uma dessas linhas de fibra ótica é imperfeita. Quando você irradia uma luz pelos fios de fibra ótica individuais, essas imperfeições na estrutura refletem uma fração da luz. Os pesquisadores podem fixar o que é conhecido como um interferômetro a laser em uma extremidade da linha para enviar e medir mudanças nesses visores retornados, discernindo minúsculas compressões ou extensões dos cabos devido às vibrações do solo.
"Cada metro de fibra óptica em nossa rede funciona como um sensor e custa menos de um dólar para ser instalado", diz Biondo Biondi, geofísico da Stanford e autor do novo artigo, em um comunicado à imprensa. “Você nunca poderá criar uma rede usando sismômetros convencionais com esse tipo de cobertura, densidade e preço.”
"Essa é a beleza disso", explica Dou, "não precisamos fazer nada de especial, basta comprar algo que já está amplamente disponível para telecomunicações".
Mas descobrir exatamente como usar essas fibras para detecção de terremotos exige um pouco mais de trabalho. Um grande desconhecido é a sensibilidade. Esse uso de fibra ótica para medir vibrações no solo emergiu da indústria de petróleo e gás, que usava as linhas para monitorar oleodutos e poços - fazendo coisas como ouvir o barulho dos veículos que se aproximavam. Mas, para esses propósitos, as fibras ópticas são geralmente “acopladas” ou cimentadas no solo, resultando em uma transferência mais eficiente dos resmungos e trepidações da Terra para as fibras.
"As pessoas não acreditavam que isso funcionaria", diz Eileen Martin, uma estudante de pós-graduação no laboratório de Biondi e outro autor no papel. "Eles sempre assumiram que uma fibra óptica desacoplada geraria muito ruído de sinal para ser útil". Mas os testes iniciais conduzidos como uma colaboração entre Stanford, Berkeley e Berkeley National Lab são promissores.
Os pesquisadores da Universidade de Berkeley têm trabalhado no uso de fibra ótica para monitorar o subsolo por cinco anos, registrando ruídos ambientais como carros passando com as fibras para estudar as mudanças em características importantes, como o lençol freático. (Em setembro, a equipe publicou este trabalho em colaboração com cientistas do Laboratório de Pesquisa e Engenharia de Regiões Frias do Exército dos EUA no Alasca e da Universidade de Stanford na revista Scientific Reports . ) Para o novo estudo do potencial de fibra ótica para monitoramento de terremotos, os cientistas compararam observações de terremotos usando três matrizes de fibra ótica diferentes, incluindo linhas de fibra ótica enterradas perto de Fairbanks, Alasca, linhas em forma de L enterradas em Richmond, Califórnia, e um loop de figura 8 instalado em um canal de telecomunicações existente sob o campus de Stanford.
Jonathan Ajo-Franklin (à esquerda) instalando um array de teste de fibra ótica experimental na Richmond Field Station. (Cortesia Jonathan Ajo-Franklin) A equipe registrou uma série de eventos nos três sistemas. Somente no ciclo de Stanford, os pesquisadores catalogaram mais de 800 tremores desde que a coleta de dados começou em setembro de 2016, selecionando os sinais nos dados após a transmissão dos eventos. "Podemos vê-los do México, da Itália, de Oklahoma ... bem como pequeninos pequeninos no campus de Stanford", diz Biondi.
O mapa mostra a localização de um loop de fibras ópticas de 3 milhas, figura 8, instalado sob o campus de Stanford como parte do observatório sísmico de fibra ótica. (Stamen Design e o Museu Victoria and Albert) No geral, os resultados são encorajadores. Como diz Biondi, "potencialmente todas as peças estão lá", mas é preciso mais trabalho para colocar o sistema em ação.
Atualmente, Lindsey e sua equipe estão testando as capacidades das fibras ópticas em 13 milhas de fibra escura em Sacramento, Califórnia, de propriedade da empresa Level 3 Communications, que foi comprada recentemente pela CenturyLink. Eles estão comparando seu sinal medido com os sismômetros tradicionais.
"A comparação é boa", diz Lindsey. "Há muito mais pesquisas a serem feitas para entender e esclarecer as vantagens e desvantagens do sensor de fibra óptica. Mas há sinal no sensor de fibra óptica acima do nível de ruído, e isso é útil." Eles estão preparando um manuscrito sobre este projeto para enviar para publicação em um periódico revisado por especialistas no próximo mês.
A sensibilidade ainda é motivo de preocupação para a ampla aplicação da detecção de terremotos por fibra ótica. "No momento, a fibra tende a ter menor sensibilidade do que o sismógrafo convencional", diz Dou. Outros colegas, ela observa, estão atualmente investigando maneiras de melhorar as capacidades de detecção de fibra ótica. Há também muitas incógnitas sobre as condições de instalação das redes de telecomunicações existentes. Pequenos ajustes, como o número de cabos de fibra ótica em um conduíte, poderiam influenciar a detecção e, portanto, a capacidade da fibra de transmitir informações precisas sobre terremotos.
Igualmente importante é a necessidade de desenvolver métodos para processar e analisar grandes quantidades de dados em tempo real. "É um excelente playground de dados para trabalhar", diz Lindsey. "Mas estou ansioso pelo dia em que não seja necessário levar malas de discos rígidos para resolver esse tipo de problema".
Para Clay Kirkendall, pesquisador da Marinha que trabalhou com sensores de fibra óptica nos últimos 20 anos, o custo continua sendo uma preocupação com o novo sistema. "Certamente as fibras já estão lá e isso é uma grande parte do custo", diz Kirkendall, que não fez parte do estudo. Mas você ainda precisa de um dispositivo para iluminar as linhas e medir os sinais que retornam - e poupar esse aspecto do sistema poderia sacrificar a sensibilidade, diz ele. Não está claro o quanto os interrogadores a laser de alta qualidade vão custar no momento, mas Biondi espera que, à medida que a tecnologia avance, o custo desses sistemas caia.
Se os pesquisadores puderem resolver esses problemas, as fibras óticas poderiam oferecer uma solução para os muitos desafios do monitoramento de terremotos. Essa tecnologia pode ser particularmente útil para melhorar os sistemas que alertam as comunidades de terremotos próximos para dar a eles apenas uma fração do tempo extra para se preparar para o choque. Os impactos positivos e falhas de tais redes foram enfatizados no início deste ano na série de terremotos do México.
O observatório sísmico de fibra óptica detectou com sucesso o terremoto de magnitude 8, 2 que atingiu o centro do México em 8 de setembro de 2017. (Siyuan Yuan) O Sistema de Alerta Sísmico Mexicano, ou SASMEX, é o primeiro sistema de alerta para notificar o público sobre terremotos pendentes. Uma rede de sismógrafos, o instrumento tradicionalmente usado para monitorar terremotos, seções de speckle do país, monitoramento de tremores. Assim que esta rede registra algo grande o suficiente para preocupação potencial, o aviso se apaga, o que pode fornecer desde segundos a um minuto inteiro de aviso sobre o choque de entrada.
Lindsey enfatiza que a idéia não é substituir os sistemas existentes - "na melhor das hipóteses [a fibra ótica] pode não ser tão boa quanto o melhor sismômetro", observa ele -, mas sim aprimorá-los. "Vemos a sismologia de fibra ótica como uma ótima maneira de complementar as técnicas de alerta precoce do terremoto, que estão sendo construídas agora em todo o planeta", diz ele.
Embora ainda haja muito mais trabalho a fazer para que isso aconteça, equipes de pesquisadores e muitas universidades estão no caso. "Isso é realmente um esforço coletivamente maior", diz Dou, observando que uma equipe da CalTech está trabalhando em projetos similares de fibra escura.
"É um campo em rápido desenvolvimento, e temos sorte de estar em uma posição pioneira", diz ela.
