Интернет-оптические кабели успешно зафиксировали ударные волны от камнепада

В ночь на 16 июня 2023 года около 1.2 миллиона кубометров породы обрушилось в долину возле Бриенца (кантон Граубюнден). Команда Швейцарского федерального института исследований леса, снега и ландшафта (WSL) и ETH Zurich отследила событие с помощью необычного метода: они зафиксировали ударные волны на подземных интернет-оптических кабелях.

Сейсмические волны вызывают крайне малые деформации и сжатия в оптических волокнах. Используя метод распределенного акустического зондирования (Distributed Acoustic Sensing, DAS), исследователи могут измерять эти деформации в реальном времени и даже определять их происхождение вдоль кабеля с точностью до нескольких метров. Поскольку оптические волокна часто имеют протяженность во много километров, метод крайне интересен для дистанционного мониторинга природных опасностей.

Для этого исследователям нужен «темный кабель» — неиспользуемое волокно в телекоммуникационном кабеле. К нему подключается устройство-интеррогатор, которое посылает лазерные импульсы. Если волокно где-то минимально деформируется, импульсы возвращаются измененными.

Горные подвижки в Бриенце предоставили уникальную возможность протестировать метод для камнепадов: склон перед и во время обрушения тщательно мониторился радарным оборудованием и сейсмометрами. Компания Swisscom Broadcast AG предоставила доступ к оптоволоконному кабелю между Тифенкастелем и Филизуром. Исследователи посылали лазерные импульсы по этому кабелю в течение 45 дней, вплоть до начала основного обвала. «Измерения превзошли наши ожидания», — говорит сейсмолог WSL Фабиан Вальтер. — «Мы смогли измерить сотни небольших камнепадов до основного события, да и сам большой обвал».

Самое сложное в методе — отфильтровать искомые сигналы от множества других вибраций, вызванных поездами, транспортом или реками. Для этого аспирант WSL Цзяхуэй Кан с помощью искусственного интеллекта разработал алгоритм, автоматически распознающий сигналы камнепадов. Он смог правильно идентифицировать 95% горных подвижек, о чем исследователи сообщают в журнале Geophysical Research Letters.

Что же мешает широкому применению метода? По словам Фабиана Вальтера, есть несколько препятствий: вычислительные модели для фильтрации сигналов находятся на стадии исследований. Измерения также генерируют огромные объемы данных — до нескольких терабайт в день. «Сначала нужно научиться анализировать данные в реальном времени», — отмечает Вальтер. Кроме того, интеррогаторы все еще очень дороги (более 100 000 швейцарских франков), но тенденция к снижению цен есть. Ученый ожидает, что эти проблемы будут решены в ближайшие годы: «Эта информация слишком ценна, чтобы не использовать ее».

Метод оптоволокна потенциально может с локальной точностью и на больших расстояниях мониторить камнепады, лавины, землетрясения и селевые потоки. Для этого нужна лишь сеть оптоволоконной связи, которая продолжает расти по всему миру.