地球ampampquot脉搏ampampquot的新式测量

　　安德烈亚斯·费希特纳（Andreas Fichtner）剥下了电缆的保护护套，露出比头发还细的玻璃芯 - 一根脆弱的，4公里长的光纤即将融合到另一根光纤上。这是一项更适合实验室的繁琐任务，但Fichtner和他的同事Sara Klaasen正在多风，寒冷的冰盖上完成。
　　经过一天的劳动，他们将三段拼接在一起，形成了一条12.5公里长的电缆。它将埋在雪中，并将窥探Grímsvötn的活动，这是一座危险的，冰川覆盖的冰岛火山。
　　后来，费希特纳的团队坐在冰上的小屋里，看着他们脚下的火山发出的地震杂音在电脑屏幕上闪现：地震太小而感觉不到，但很容易被光纤接收到。＂我们可以看到它们就在我们脚下，＂他说。＂你坐在那里，感受火山的心跳。
　　Fichtner是苏黎世瑞士联邦理工学院的地球物理学家，是使用光纤测量地球脉搏的研究人员之一。大部分工作是在偏远地区进行的，从火山顶部到海底，传统的监测成本太高或太困难。在过去的五年里，光纤已经开始揭示地震隆隆声、洋流甚至动物行为。
　　例如，Grímsvötn的冰盖坐落在火山热量融化的湖面上。来自新电缆的数据显示，漂浮的冰场充当天然扬声器，放大来自下方的震动。这项工作提出了一种新的方法来窃听被冰包裹的火山的活动 - 从而捕捉可能预示着火山爆发的震颤。 像雷达，但有光
　　Fichtner团队使用的技术称为分布式声学传感或DAS。＂这几乎就像光纤中的雷达，＂英国泰丁顿英国国家物理实验室的物理学家Giuseppe Marra说。雷达使用反射的无线电波来定位物体，而DAS使用反射光来检测事件，从地震活动到移动交通，并确定它们发生的位置。
　　它的工作原理是这样的：光纤一端的激光源射出短脉冲光。当脉冲沿着光纤移动时，它的大部分光继续向前。但是光的一小部分光子撞击到光纤中的内在缺陷 - 异常密度的斑点。这些光子散射，其中一些一直传播回源，在那里探测器分析这种反射光，以获取有关光纤长度上发生的事情的提示。
　　DAS 的光纤通常延伸几到几十公里，它会响应环境干扰而移动或弯曲。＂随着汽车的经过，随着地震的发生，随着构造板块的移动，它会摆动，＂地球科学家内特·林赛（Nate Lindsey）说，他是2021年《 地球与行星科学年度评论 》上一篇关于光纤用于地震学的文章的合著者。这些摆动会改变反射光信号，并允许研究人员梳理出诸如地震如何在某个点弯曲电缆之类的信息。
　　例如，光缆沿其整个长度捕获地震震动的振动。相比之下，典型的地震传感器或地震仪仅从一个点传递信息。而且地震仪的部署成本很高，而且难以维护，Lindsey说，他在一家名为FiberSense的公司工作，该公司正在使用光纤网络在城市环境中的应用。
　　Lindsey说，DAS可以提供大约1米的分辨率，将10公里的光纤变成10，000个传感器。研究人员有时可以使用现有或退役的电信电缆。例如，在2018年，包括当时在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室工作的Lindsey在内的一个小组将蒙特利湾水族馆研究所运营的20公里电缆（通常用于拍摄珊瑚，蠕虫和鲸鱼）转换为DAS传感器，而系统离线进行维护。
　　＂能够潜入海底数十公里——你能做到这一点真是太了不起了，＂林赛说。＂从历史上看，在海底部署一个传感器可能要花费1000万美元。
　　在为期四天的测量中，该团队在加利福尼亚州吉尔罗伊约30公里外发现了一场3.4级地震，震动了地面。对于林赛的团队来说，这是一次幸运的打击。地球科学家可以利用地震的地震信号来了解地震穿过的地面结构，来自光纤电缆的信号使团队能够识别几个以前未知的海底断层。＂我们正在利用这种能量来照亮圣安德烈亚斯断层的这个结构，＂林赛说。 窃听城市和鲸目动物
　　DAS由石油和天然气行业率先用于监测井和检测钻孔中的气体，但研究人员一直在发现该技术的各种其他用途。除了地震之外，它还被用来监测城市的交通和建筑噪音。Fichtner说，在伊斯坦布尔等具有重大地震危险的人口稠密的大都市，DAS可以帮助绘制地下沉积物和岩石的地图，以揭示哪些地区在大地震期间最危险。最近的一项研究甚至报道了在挪威附近使用海底光缆窃听鲸鱼的歌声。
　　但是 DAS 有一些限制。从长度超过100公里的光纤中获取良好的数据是很棘手的。电缆中使光散射的相同缺陷 - 产生被测量的反射光 - 会耗尽来自光源的信号。如果行进了足够的距离，原始脉冲将完全丢失。
　　但一种更新的相关方法可能会提供一个答案 - 也许允许研究人员监视几乎不受监控的海底，使用现有的电缆来传输数十亿电子邮件和流媒体狂欢的数据。
　　2016年，马拉的团队寻求一种方法来比较欧洲各地遥远地点的超精密原子钟的计时情况。卫星通信对于这项工作来说太慢了，因此研究人员转向埋地光缆。起初，它没有奏效：环境干扰在团队通过电缆发送的消息中引入了太多的噪音。但科学家们感觉到了一个机会。＂我们想要消除的噪音实际上包含非常有趣的信息，＂马拉说。
　　使用最先进的方法来测量沿光纤电缆反弹的光波的频率，Marra及其同事检查了噪声，并发现 - 像DAS - 他们的技术通过光频率的变化来检测地震等事件。
　　但是，它们不是脉冲，而是使用连续的激光束。与 DAS 不同的是，激光以循环方式向外传播和返回;然后，研究人员将返回的光与他们发出的光进行比较。当电缆中没有干扰时，这两个信号是相同的。但是，如果环境中的热量或振动干扰了电缆，则光的频率就会发生变化。
　　凭借其研究级光源和对最初发射的大量光的测量（而不仅仅是反射的光），这种方法比 DAS 在更长的距离上工作。2018年，Marra的团队证明，他们可以用长达535公里的海底和地下光纤电缆探测地震，远远超过DAS约100公里的极限。
　　这提供了一种监测深海和地球系统的方法，这些系统通常很难到达，也很少使用传统传感器进行跟踪。马拉说，靠近海上地震震中的电缆可以改善陆基地震测量，为人们准备海啸和做出决定提供几分钟的时间。感知海底压力变化的能力也可能为直接探测海啸打开大门。
　　2021 年底，Marra 的团队设法在加拿大哈利法克斯和英格兰绍斯波特之间的海底运行的 5，860 公里光缆上感应到横跨大西洋的地震活动。他们这样做的分辨率比以前高得多，因为虽然早期的测量依赖于整个海底电缆长度的累积信号，但这项工作解析了信号放大中继器之间大约90公里跨度的光变化。
　　跨大西洋电缆上拾取的信号强度的波动似乎是潮汐流。＂这些本质上是随着电流的上升和下降而作为吉他弦弹奏的电缆，＂Marra说。他补充说，虽然很容易观察地表的洋流，但海底观测可以提高对海洋环流及其在全球气候中的作用的理解。
　　到目前为止，只有Marra的团队在使用这种方法。他们正在努力使其更容易部署，并提供更易于访问的光源。
　　研究人员正在继续将基于光纤的传感技术推向新的领域。今年早些时候，Fichtner和一位同事前往格陵兰岛，东格陵兰冰芯项目正在冰盖上钻一个深井，以去除冰芯。然后，Fichtner的团队用手将光纤电缆降低1，500米 - 并捕捉到一连串的冰震，基岩和冰盖摩擦在一起产生的隆隆声。
　　冰震可以使冰盖变形并有助于它们流向大海。但在此之前，研究人员还没有办法研究它们是如何发生的：它们在表面是不可见的。也许光纤最终会把它们隐藏的过程带到光明中。