Мониторинг ледников с помощью оптических волокон

Сейсмический мониторинг ледников важен для лучшего понимания их динамики и прогнозирования рисков. Профессор SNSF Фабиан Вальтер предложил новый инструмент для этого — оптические волокна. Они способны отслеживать состояние целых ледников.

Ледники находятся в постоянном движении, что требует их мониторинга. Спутниковые снимки дают представление об их развитии, а сейсмология, «слушая» ледник изнутри, позволяет точнее понять его движение. Однако установка сейсмометров в ледниковых зонах сложна, что приводит к неполному сейсмическому покрытию. В недавнем исследовании профессор ETH Zurich Фабиан Вальтер показал, что для мониторинга можно использовать и оптические волокна. Они не только проще в установке, чем сейсмометры, но и предоставляют больше точек измерения, расширяя охват мониторинга в труднодоступных районах.

Одна точка измерения каждые два метра

Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Nature Communications, проводилось на высоте 2500 метров на леднике Рона на северо-востоке кантона Вале. В течение пяти дней в марте 2019 года две команды под руководством Фабиана Вальтера и специалиста по сейсмологии и физике волн ETH Zurich Андреаса Фихтнера регистрировали микроземлетрясения с помощью 1-километрового оптоволоконного кабеля, проложенного в снежном покрове на поверхности ледника. Используя распределённое акустическое зондирование, нарушения оптического сигнала от сейсмических событий внутри ледника фиксировались с регулярными интервалами в несколько метров вдоль кабеля, а записи преобразовывались в сейсмограммы.

Фабиан Вальтер отмечает, что большое количество датчиков на одной площади мониторинга — 500 измерительных точек вдоль 1-километрового кабеля — обеспечило данные, более информативные, чем с сейсмометров, особенно для локализации камнепадов и ледотрясений. Кабель также позволил лучше понять прерывистые «скользящие» движения ледника. Были идентифицированы новые типы сейсмических волн, что ранее с сейсмометрами было невозможно. Подобные рывковые движения были известны для ледяных щитов Гренландии и Антарктиды, но в Альпах их существование впервые было строго подтверждено.

Что происходит внутри льда

Оптические волокна уже используются для мониторинга землетрясений, но специалист по ледотрясениям Фабиан Вальтер — один из первых учёных, применивших эту технологию на ледниках. «Над этим уже работают другие команды, например, на Аляске, потому что волоконно-оптическая технология даёт преимущества в таких сложных условиях», — объясняет исследователь, проводивший работу совместно со Швейцарской сейсмологической службой при ETH Zurich. «Если на установку одной сейсмостанции, покрывающей крошечную часть ледника, часто уходят часы, то теперь достаточно разложить кабель — и мы получаем сотни датчиков. Теоретически технология позволяет охватить и контролировать целые ледники».

Измеряя сейсмические скорости, оптоволоконный кабель также предоставляет дополнительную информацию, например, о составе льда. Он позволяет учёным измерять скорость деформации льда и понимать процесс образования трещин.

Другие применения технологии ещё предстоит испытать вне ледниковых зон. Оптические волокна уже проложены вдоль дорог, железнодорожных путей и рядом с некоторыми инфраструктурными объектами. «Тёмное волокно» — неиспользуемые проложенные оптические волокна — может применяться для мониторинга сейсмических событий и предотвращения ущерба.