Onderzeese kabels als aardbevingsmonitor

Een duizenden kilometers lange onderzeese kabel blijkt ook geschikt voor het analyseren van aardbevingsgolven.

Dat laten onderzoekers in de Verenigde Staten zien. Een team van Nokia Bell Labs presenteerde deze week de resultaten van onderzoek naar een 4400 kilometer lange zeekabel tussen Hawaii en Californië.

Vrachtwagens

Het is al langer bekend dat optische kabels geschikt zijn om trillingen in de bodem mee te detecteren. In 2017 schreven we over onderzoek aan Stanford University in de VS, waar wetenschappers demonstreerden dat ze met een lusvormige optische kabel trillingen in de ondergrond konden oppikken, van langsrijdende vrachtwagens tot aardbevingen van veel verder weg.

Onzuiverheden

Hoe werkt dat? Het begint allemaal met laserpulsen die een glasvezel in gaan. Dat licht reist door de vezel en komt daarbij onzuiverheden in het materiaal tegen. Het licht weerkaatst daartegen en reist terug naar het begin. Maar nu komt het: wanneer de vezel een beetje uitrekt of inkrimpt als gevolg van een aardbeving, treden fase-veranderingen op in dit teruggekaatste licht, en die zijn te meten. Door dus continu het licht te meten dat uit de glasvezel terugkomt, zijn vibraties in de aardkorst te detecteren. En doordat die genoemde onzuiverheden willekeurig verdeeld over een glasvezel zitten, vormt zo’n kabel een enorme verzameling kleine, verspreide sensoren.

Meerdere golflengten

Daarbij nog een belangrijke aanvulling: glasvezels, waaruit optische kabels zijn opgebouwd, kunnen licht van meerdere golflengten doorlaten, en daarbij hinderen die verschillende signalen elkaar niet. Daardoor kunnen seismologen een laserstraal van lagere golflengte door een glasvezel sturen, waarbij dat signaal geen invloed heeft op de lichtsignalen voor communicatie.

Hindernis

Tot zover het goede nieuws. Het lastige van het inzetten van onderzeese kabels voor aardbeving-detectie, is dat ze om de zoveel kilometer worden onderbroken door zogeheten repeaters. Deze componenten zijn nodig om het signaal weer wat op te krikken. Want hoewel glasvezels behoorlijk goed zijn in het transporteren van optische signalen, dempt een lichtstraal over enorme afstanden uiteindelijk toch wat uit. De repeaters vormen echter ook een hindernis voor de zwakke signalen die terugkomen van de onzuiverheden.

U-bocht

Daar heeft het team van Nokia Bell Labs nu wat op gevonden, schrijft Science News. Onder leiding van Mikael Mazur bedacht het een manier om de repeaters te omzeilen. De onderzoekers realiseerden zich dat er bij elke repeater een component zit waarmee het licht kan terugkeren naar waar het vandaan komt, het maakt dan een U-bocht als het ware. Dit is bedoeld om de conditie van de glasvezel te monitoren, schrijft Science News, maar het team van Mazur zag er een kans in. Ook de van onzuiverheden terugkerende signalen kunnen van deze terugweg gebruikmaken. Daarbij versterken de repeaters ook nog eens dit ‘aardbevingssignaal’.

Rooster van sensoren

Met speciaal ontwikkelde berekeningen slaagde het team er uiteindelijk in om zelfs signalen van het uiteinde van de 4400 kilometer lange kabel te meten. Deze kabel, die Hawaii met Californië verbindt, wordt hiermee het equivalent van 44000 seismische stations met een onderlinge afstand van 100 meter. Een groot deel van de seismische golven die hiermee worden gedetecteerd, zijn door de diepe aarde heen gereisd. Een analyse van die golven geeft dus extra informatie over de structuur en gelaagdheid van de binnenkant van onze planeet.

Bij testen bleek hun meetkabel de zware aardbeving voor de kust van Kamtsjatka van 30 juli van dit jaar te hebben gedetecteerd, evenals het – veel zwakkere – signaal van de erop volgende tsunami die door de oceaan reisde.

Grootste hindernissen

Voor de praktische toepassing van deze techniek lijken de grootste hindernissen niet van technische aard. Bestaande communicatiekabels op de zeebodem blijken dus prima geschikt om ook een functie aan toe te voegen als netwerk van aardbeving-sensoren. Maar het is de vraag of ministeries van Defensie hierin meegaan, aangezien de kabels ook geheime onderzeeboten kunnen detecteren. En telecombedrijven zijn er vermoedelijk ook niet happig op om openbaar te maken waar hun optische kabels precies liggen. Daarvoor zijn er de laatste jaren net iets te veel incidenten met beschadigde kabels geweest. Afwachten dus of en hoe deze geavanceerde aardbevingsdetectie in de praktijk zal worden gebruikt.

Openingsbeeld: gestileerde weergave van een kabel met glasvezels erin. Foto: Depositphotos