Vorhandene Faser

Apr 28, 2023

12. Januar 2023

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von Nancy Bazilchuk, Norwegische Universität für Wissenschaft und Technologie

Die mehr als 1,2 Millionen Kilometer Glasfaserkabel, die den Planeten durchziehen, übertragen Telefongespräche, Internetsignale und Daten weltweit. Doch diesen Sommer veröffentlichten Forscher die unheimlichen Geräusche von Blau- und Finnwalen, die von einem Glasfaserkabel an der Westküste von Spitzbergen entdeckt wurden – ein Novum.

Nun wollen die Forscher ein noch größeres Lebewesen belauschen – die Erde selbst.

Die Kombination des weltweiten Glasfasernetzes mit bestehenden Fernerkundungssystemen wie Satelliten könnte ein kostengünstiges globales Echtzeit-Überwachungsnetz schaffen, sagte Martin Landrø, Professor an der Abteilung für Elektronik der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU). Systeme und Leiter des Zentrums für Geophysikalische Vorhersage.

„Dies könnte ein bahnbrechendes globales Observatorium für Ozean-Erd-Wissenschaften sein“, sagte er. Landrø war Hauptautor eines Artikels darüber, wie ein solches System funktionieren könnte, der in Scientific Reports veröffentlicht wurde.

Glasfaserkabel sind nichts Neues. Sie enthalten wahrscheinlich die Informationen, die Ihr Computer entschlüsselt, sodass Sie diesen Artikel lesen können.

Was sich jedoch geändert hat, sind die Tools, mit denen Informationen aus diesen Netzwerken extrahiert werden können. Das fragliche Werkzeug trägt den ziemlich alarmierenden Namen eines Vernehmers.

Das Abfragegerät kann an ein Glasfaserkabelnetzwerk angeschlossen werden, um einen Lichtimpuls durch das Kabel zu senden. Jedes Mal, wenn eine Schallwelle oder eine tatsächliche Welle auf das Unterwasserkabel trifft, biegt sich die Faser ein wenig.

„Und wir können die relative Dehnung der Faser äußerst präzise messen“, sagte Landrø. „Es gibt diese Technologie schon lange. Aber sie hat in den letzten fünf Jahren einen großen Schritt nach vorne gemacht. So können wir damit nun akustische Signale über Entfernungen von bis zu 100 bis 200 Kilometern überwachen und messen.“ . Das ist also das Neue.“

Landrøs Team – darunter Forscher von Sikt, der norwegischen Agentur für gemeinsame Dienste in Bildung und Forschung, und Alcatel Submarine Networks Norway, AS, die die Vernehmer stellten, nutzte ein 120 km langes Glasfaserkabel zwischen Longyearbyen, der größten Siedlung auf Spitzbergen, und Ny-Ålesund, ein Forschungsaußenposten an der Südwestküste der größten Insel des Archipels. Sie überwachten das Kabel im Jahr 2020 44 Tage lang und zählten mehr als 800 Wallaute.

„Das Glasfaserkabel zwischen Longyearbyen und Ny-Ålesund, das 2015 nach fünfjähriger Planung und Vorarbeit in Betrieb genommen und hauptsächlich von unserem Ministerium finanziert wurde, sollte der Forschungsgemeinschaft und der geodätischen Station in Ny-Ålesund hohe und hohe Qualität bieten belastbare Kommunikationskapazität“, sagte Olaf Schjelderup, Leiter des nationalen F&E-Netzwerks von Sikt, in einem früheren Artikel über das Überwachungsprojekt. Schjelderup war auch Co-Autor des neuen Papiers.

„Das DAS-Erkennungs- und Walbeobachtungsexperiment zeigt eine völlig neue Nutzung dieser Art von Glasfaserinfrastruktur und führt zu exzellenter, einzigartiger Wissenschaft“, sagte er.

Die Technologie ist gut, aber die Reichweite ist weiterhin eine Einschränkung. Die Hoffnung sei, dass es mit der Weiterentwicklung der Technologie noch besser werde, sagte Landrø.

„Obwohl aktuelle Abfragegeräte noch nicht in der Lage sind, über die typischerweise in langen Glasfaserkabeln verwendeten Repeater hinaus zu erkennen, entwickelt sich die Technologie sehr schnell und wir gehen davon aus, dass wir diese Einschränkungen bald überwinden können“, sagte Landrø.

Bei der Erkennung von Walrufen konnten die Forscher auch Schiffe erkennen, die über oder in der Nähe des Kabels fuhren, eine Reihe von Erdbeben und ein seltsames Wellenmuster, von dem sie schließlich erkannten, dass es auf entfernte Stürme zurückzuführen war.

Die Messungen waren präzise genug, dass sie ihre Messungen mit jedem genauen Ereignis in Verbindung bringen konnten, das sich ereignet hatte – einschließlich eines großen Erdbebens in Alaska, sagte Landrø.

„Wir haben natürlich viel Schiffsverkehr und viele Erdbeben gesehen, das größte davon kam in Alaska“, sagte er. „Das war ein großes Problem – wir haben es auf jedem Kanal (im Kabel) über die gesamten 120 km gesehen. Und wir haben auch gesehen, dass wir entfernte Stürme erkennen konnten.“

Ein Beispiel dafür, wie das System Schiffe erkennen konnte, war die Norbjørn, ein Stückgutschiff, das beim Überqueren des Glasfaserkabels etwa 86,5 km von Longyearbyen entfernt entdeckt wurde. Die Forscher konnten die Geschwindigkeit des Schiffs anhand seiner Spur über das Kabel abschätzen und diese dann mit der Spur des automatischen Identifikationssystems (AIS) des Schiffes überprüfen.

Die Forscher waren zunächst verwirrt über die Dutzende Wellenserien, die sie während des Überwachungszeitraums entdeckten. Jedes Wellenereignis dauerte zwischen 50 und 100 Stunden, wobei die Frequenz der Wellen während des Ereignisses monoton zunahm. Aber schließlich erkannten sie, dass die mysteriösen Signale die Wellen waren, die von fernen Stürmen gesendet wurden.

„Das sind die physischen Meereswellen, die sich auf der Meeresoberfläche ausbreiten“, sagte Landrø.

Die Wellen mit der niedrigsten Frequenz breiten sich am schnellsten aus, gefolgt von Wellen mit höherer Frequenz, die bis zu sechs Tage später eintreffen. Dieses Muster wurde 1963 erkannt, als der Ozeanograph Walter Munk einen Artikel veröffentlichte, in dem er beschrieb, wie Wissenschaftler herausfinden konnten, woher die von Stürmen erzeugten Wellen kamen, indem sie die Steigung des Frequenz-Zeit-Diagramms der Wellen maßen und einige Berechnungen durchführten .

Mithilfe dieser Berechnungen identifizierte Landrøs Team den Tropensturm Eduardo, der 4100 km von Spitzbergen im Golf von Mexiko entfernt war. Sie identifizierten auch einen großen Sturm vor Brasilien, 13.000 km vom Spitzbergenkabel entfernt.

Geologen verfügen bereits über ein Netzwerk von Sensoren, sogenannte Seismometer, die ihnen bei der Überwachung und Messung von Erdbeben helfen. Diese Instrumente seien sensibel und lieferten viele detaillierte Informationen, sagte Landrø.

Allerdings sind Seismometer teuer und bei weitem nicht so weit verbreitet wie das weltweite Glasfaserkabelnetz.

Der einzige Nachteil des Glasfasernetzes besteht darin, dass es ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. Das bedeutet, dass es viele Hintergrundgeräusche gibt und das Signal – vom Erdbeben – gegenüber dem Hintergrundgeräusch nicht so klar oder stark ist.

Der Vorteil des Glasfasernetzes besteht jedoch darin, dass es weit verbreitet und bereits vorhanden ist, was bedeutet, dass es zusätzliche Informationen zu vorhandenen Seismometern liefern könnte. Die Idee wäre nicht, das bestehende System zu ersetzen, sondern es zu ergänzen.

„Die Frage ist dann, was wir aus einer Methode lernen können, die ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis, aber eine bessere räumliche Abdeckung bietet? Wie könnten wir diese zusätzlichen Informationen nutzen, auch wenn sie von geringerer Qualität sind, um mehr über das Erdbeben zu erfahren.“ und seine Eigenschaften?" sagte Landrø.

Es stellt sich auch die Frage, ob bestehende Glasfasernetze zur Überwachung von Unterwasserpipelines genutzt werden könnten – was angesichts der Explosion Ende September, die die Pipelines Nord Stream 1 und 2 beschädigte, besonders wichtig ist.

„Können wir diese Glasfasertechnologie nutzen, um die Infrastruktur auf dem Meeresboden zu überwachen und zu schützen? Das ist eine wichtige Frage“, sagte er.

Die Herausforderung bei Pipelines besteht darin, dass sie Lärm verursachen, wenn Gas durch das Rohr strömt.

„Anhand des Hintergrundrauschens müssen wir die natürliche Variabilität charakterisieren. Und wenn dann etwas in die Nähe dieser Pipeline kommt, wie hoch ist dann der Schwellenwert? Wann wird gehandelt, was kann man erkennen? Und wir wissen es nicht“, sagt er sagte. „Deshalb ist geplant, diesbezüglich spezielle Tests durchzuführen.“

Letztendlich könnte die Idee darin bestehen, Pipelines in Echtzeit zu überwachen, um sicherzustellen, dass sie sicher sind. Forscher verfügen bereits über einen Echtzeitstrom akustischer Daten aus dem Svalbard-Glasfasernetz.

Mehr Informationen: Martin Landrø et al., Wale, Stürme, Schiffe und Erdbeben mithilfe eines arktischen Glasfaserkabels erkennen, Wissenschaftliche Berichte (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-23606-x

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Berichte

Zur Verfügung gestellt von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie