Интернет-кабели видят сквозь Землю? Новая технология позволяет оптоволокну рисовать карту недр с фантастической точностью

Представьте себе гигантскую, невидимую паутину, окутывающую нашу планету. Миллиарды километров оптоволоконных кабелей, этих скромных тружеников цифровой эпохи, ежедневно доставляют нам гигабайты информации: от рабочих писем до милых видео с котиками. Но что, если я скажу вам, что эта инфраструктура способна на гораздо большее? Что она может стать нашими ушами, прислушивающимися к глубинным процессам Земли, и глазами, позволяющими заглянуть туда, куда раньше не проникал человеческий взор? Звучит как научная фантастика? А вот и нет! Это уже реальность, меняющая наше представление о сейсмологии и геологии.

Когда кабель становится микрофоном: магия распределенного акустического зондирования

Так как же обычный интернет-кабель превращается в сверхчувствительный научный инструмент? Вся соль в технологии, именуемой распределенным акустическим зондированием (DAS — Distributed Acoustic Sensing). Позвольте объяснить по-простому. В оптоволоконный кабель посылаются короткие лазерные импульсы. Само стекловолокно, из которого сделан кабель, не идеально — в нем есть микроскопические неоднородности. Когда световой импульс натыкается на такую неоднородность, часть света отражается обратно, создавая так называемое обратное рассеяние. Специальный прибор, интеррогатор, анализирует этот отраженный свет.

А теперь самое интересное: если кабель подвергается малейшей вибрации — например, от проезжающего грузовика, далекого землетрясения или даже шума прибоя — он слегка растягивается или изгибается. Эти микродеформации изменяют характер обратного рассеяния света. Анализируя эти изменения, ученые могут с поразительной точностью определить, где именно по всей длине многокилометрового кабеля произошло возмущение и какова была его интенсивность. Фактически, каждый метр кабеля превращается в отдельный виртуальный сейсмодатчик! И это не один датчик, а тысячи, распределенные по всей длине. Представляете масштаб?

«Темные волокна»: спящий гигант просыпается

Особый интерес для ученых представляют так называемые «темные волокна». Это оптоволоконные линии, которые были проложены телекоммуникационными компаниями «про запас», на случай будущего роста трафика, но в данный момент не используются для передачи данных. И таких «спящих» артерий под нашими городами и между ними — огромные количества!

Почему именно они? Во-первых, это колоссальная экономия. Не нужно прокладывать новые, дорогостоящие сенсорные сети — можно задействовать уже существующую инфраструктуру. Во-вторых, «темные волокна» свободны от информационного шума активных линий, что позволяет получать более чистые данные о сейсмической активности. Это как пытаться услышать шепот в тихой комнате, а не на оживленном проспекте.

Пионерами в использовании DAS, что не удивительно, стали представители нефтегазовой отрасли еще в конце 2000-х. Они быстро смекнули, что технологию можно применять для мониторинга состояния скважин. Но, как это часто бывает с перспективными разработками, область ее применения стремительно расширилась — от отслеживания перемещений животных до изучения влажности почв. Как метко замечают в научном сообществе: «Если у вас новый молоток, вы стараетесь опробовать его на каждом гвозде, какой только найдете».

Города под прицелом: Стамбул, Афины и не только

Одним из самых многообещающих направлений стало изучение сейсмической обстановки в крупных городах. Стамбул, мегаполис с многомиллионным населением, расположен в зоне высокой сейсмической активности. Трагические события февраля 2023 года, когда мощные землетрясения на юге Турции унесли десятки тысяч жизней, лишний раз напомнили об этой угрозе. И так уж совпало, что именно в Стамбуле одна из исследовательских групп как раз вела мониторинг с помощью 8-километрового «темного волокна», пролегающего под густонаселенными районами.

Ученые поясняют, что такие измерения позволяют определять скорость распространения сейсмических волн, что помогает строить модель верхних 50-100 метров грунта. Данные, собранные до и во время февральских толчков (которые, к счастью, лишь слабо затронули Стамбул), позволили создать детальную карту сейсмических рисков для конкретных кварталов. Оказалось, что некоторые участки могут испытывать колебания в 10 раз сильнее, чем соседние улицы! Эта информация бесценна для градостроителей и инженеров при разработке строительных норм и планировании застройки.

Аппетит приходит во время еды. Вдохновленные стамбульским опытом, ученые замахнулись на еще более масштабный проект в Афинах. Четыре «темных волокна» общей протяженностью около 200 км (каждое по 50 км) опоясывают греческую столицу и пересекают ее крест-накрест, создавая, по мнению сейсмологов, идеальную геометрию для исследований. Цель — создать трехмерную карту геологии и сейсмических рисков древнего города, а также отслеживать «микроземлетрясения», которые могут быть предвестниками более сильных событий.

И это не только про землетрясения! В Великобритании научная команда готовит проект с использованием сети «темных волокон» между Саутгемптоном, Лондоном и Кембриджем. Хотя эти районы не славятся сильными подземными толчками, данные DAS могут помочь выявлять утечки в подземных трубопроводах, оценивать стабильность фундаментов зданий и даже фиксировать вибрации от наземных источников, например, шум от аэропортов.

Заглядывая вглубь: от вулканов до мантии Земли

Возможности DAS не ограничиваются городскими недрами. Ученые активно используют эту технологию для изучения более глубоких и удаленных уголков нашей планеты.

• Вулканология: В Исландии, стране льда и пламени, «темные волокна» помогли исследователям одного из ведущих технологических институтов обнаружить ранние признаки готовящегося извержения вулкана.
• Геотермальная энергия: Другая исследовательская группа с помощью «темного волокна» в Калифорнии смогла нанести на карту ранее неизвестный геотермальный резервуар — потенциальный источник чистой энергии.
• Океанские глубины и цунами: Ученые одного из калифорнийских университетов добились успехов в использовании подводных кабелей для мониторинга землетрясений в океанских бассейнах. Это может сократить время оповещения о приближающемся землетрясении на драгоценные секунды, а для предупреждений о цунами — на жизненно важные минуты.
• Граница Мохо: Пожалуй, одно из самых впечатляющих достижений — работа команды, аффилированной с Геологической службой США. Используя 100-километровое «темное волокно» в Калифорнии, они смогли с беспрецедентной детализацией картировать границу Мохоровичича (или Мохо) — переходную зону между земной корой и мантией. Исследователи отмечают, что крупные структуры на поверхности, такие как вулканы и разломы, взаимодействуют с этой границей. Понимание этих глубинных взаимодействий может пролить свет на то, какой силы землетрясение способен породить тот или иной разлом, или как устроена «сантехника» вулканической системы. Сейчас геологическая служба планирует применить эту методику для изучения Тройного сочленения Мендосино — сложнейшего и сейсмически активного региона на стыке трех тектонических плит.

Ложка дегтя и новые горизонты

Конечно, как и у любой прорывной технологии, у DAS есть свои сложности. Поток данных, получаемых с кабелей, огромен и часто зашумлен. Некоторые специалисты признают, что данные бывают очень трудными для анализа, представляя собой «просто какой-то хаос». Обработка такого массива информации требует значительных вычислительных мощностей и сложных алгоритмов.

Кроме того, большинство кабелей проложено в густонаселенных районах, что ограничивает возможности изучения отдаленных территорий. Получение доступа к инфраструктуре телекоммуникационных компаний и согласование с государственными органами тоже может быть непростой задачей. И, конечно, нельзя сбрасывать со счетов вопросы конфиденциальности: сверхчувствительные кабели теоретически могут улавливать шаги или даже разговоры, что вызывает определенные опасения.

Тем не менее, ученые настроены оптимистично. Они отмечают, что сейчас происходит процесс выяснения того, что выполнимо, а что нет. И уже есть прорывные идеи, как обойти некоторые ограничения. Например, недавние исследования показали, что можно получать надежные данные DAS даже с «активных» кабелей, одновременно передающих интернет-трафик! Этот подход, называемый мультиплексированием, заключается в тщательном подборе длины волны лазерного луча так, чтобы он не мешал основным сигналам. Если эта технология получит широкое распространение, для науки откроется практически вся глобальная оптоволоконная сеть!

К «прозрачной Земле»

Мечта о «прозрачной Земле», где мы могли бы видеть и понимать глубинные процессы нашей планеты так же ясно, как видим облака на небе, становится все ближе. Оптоволоконные кабели, изначально созданные для соединения людей, теперь соединяют нас с тайнами недр. Это поразительный пример того, как существующие технологии могут обрести совершенно новое, неожиданное применение, открывая перед человечеством захватывающие перспективы в познании мира, в котором мы живем. И кто знает, какие еще секреты раскроют нам эти скромные подземные артерии знаний? Честно говоря, будущее выглядит очень интригующе.