julio 23, 2021

IIGEA

Instituto de Investigaciones Geológicas y Atmosféricas A.C.

Buscan utilizar la red mundial de fibra óptica para monitoreo sísmico.

Con el desarrollo de las telecomunicaciones mundiales en la década de 1980, una vasta red mundial de fibra óptica fue tendida en los fondos oceánicos alrededor del planeta. Sorteando obstáculos como montañas submarinas, grandes planicies y fosas oceánicas. La amplia distribución de tales redes y su ubicación cercana a lugares con una gran incidencia de grandes sismos, ha planteado la posibilidad de utilizar esta infraestructura para monitorear eventos sísmicos de gran magnitud, así como tsunamis.

De acuerdo con la última publicación del mes de febrero hecha en la revista Science, Zhongwen Zhan, profesor asistente de geofísica del Instituto Tecnológico de California y sus colegas desarrollaron un método para utilizar las señales que viajan por los cables de fibra óptica ya instalados bajo el océano. Sin la necesidad de instalar nuevos instrumentos junto al respectivo alto costo que involucra colocar una infraestructura como esta.

Red mundial de fibra óptica
Imagen 01: red mundial de cables de fibra óptica alrededor del mundo.

Esta idea no es reciente. En años anteriores, se había propuesto utilizar aquellas líneas que no estaban en operación. El método que proponen los autores de dicho estudio sí es novedoso, porque involucra utilizar líneas activas y las variaciones en la intensidad de las señales recibidas. Las cuales se ha visto, se ven afectadas en su polaridad cuando las ondas sísmicas interactúan con los cables de fibra óptica.

POLARIDAD: EL PRINCIPIO FUNDAMENTAL.

La red mundial de fibra óptica funciona a través de láseres que envían un pulso de un extremo a otro, a una velocidad superior a los 200 mil kilómetros por segundo. Estos haces de luz son filtrados por un polarizador, para que oscilen en una dirección y que estas no interactúen entre ellas, evitando interferencia de señales. Una serie de receptores ubicados en los extremos verifican el cambio de la polaridad de la señal.

Son varios los fenómenos que pueden afectar dicha polaridad en la señal enviada a través de la fibra óptica. Por ejemplo, los rayos en las tormentas y los cambios de temperatura, algo que se ha observado en aquellos cables ubicados en la superficie terrestre. Debido a las condiciones estables de los fondos marinos, es poco usual observar variaciones o fenómenos que puedan alterar su polaridad, salvo algunos extraordinarios.

MÉTODO DE IDENTIFICACIÓN.

Utilizando el cable Curie -un cable que conecta a las ciudades de Los Ángeles y Valparaíso, Chile-, los investigadores se percataron que durante la ocurrencia de sismos, así como durante grandes tormentas, la polaridad de la señal recibida era afectada drásticamente y repentinamente. Permitiendo identificar dichos eventos en los receptores ubicados en ambas ciudades casi inmediatamente.

Cuando ocurre un sismo fuera de las costas, debido a la velocidad de las ondas sísmicas y la distancia entre los sismógrafos, el tiempo entre la ocurrencia del fenómeno y su registro, puede variar de varios segundos hasta varios minutos. Con este procedimiento, se tendría un mecanismo que permitiría identificar un evento casi de manera inmediata. Lo mismo podría utilizarse para el caso de tsunamis. Al igual forma se vio que las grandes olas formadas durante tormentas marinas, tienen la capacidad de producir cambios de la polaridad en las señales.

Los primeros resultados arrojados luego de un estudio realizado entre diciembre de 2019 y septiembre de 2020, confirmaron que un total de 20 sismos –entre moderados y fuertes- fueron detectados por el cable Curie. Entre ellos, aquel ocurrido el 28 de enero de 2020 cercano a las costas de Jamaica. De igual forma se detectaron eventos como el sismo del 01 de septiembre de 2020 a las afueras de la costa de Vallenar, Chile, con una magnitud de 6.8 y el sismo de Oaxaca de magnitud 7.4 ocurrido el 23 de junio de 2020.

Red mundial de fibra óptica
Imagen 02: espectrograma de la señal del cable Curie donde se puede identificar el sismo de Vallenar, Chile y cinco de sus réplicas.  (tomado de Zhan, 2021)

LIMITACIONES DEL MÉTODO.

El método logró demostrar que al utilizar los saltos en la polarización de los ases de luz es posible detectar sismos, aunque ningún tsunami fue detectado durante el estudio. Aunque de acuerdo con los autores, las olas de tormentas tienen la capacidad para producir dichos cambios. Lo que abre la posibilidad de que en un futuro, sea posible identificar estas grandes olas aún antes que el sistema de boyas de detección de tsunamis ubicadas en la superficie del mar.

Otra de las limitaciones del estudio, es que aún no se tienen una manera de ubicar espacialmente los sismos detectados. No existe aún una forma de ubicar el epicentro del sismo. Aunque éste estudio podría significar un primer avance para utilizar los casi 1 millón de kilómetros de cable de fibra óptica que se encuentran debajo del mar. Para ello, se está trabajando en un algoritmo que permita ubicar el primer punto de alteración de la señal. Mediante cálculos computacionales, se podría determinar en unos pocos segundos donde se originó el sismo.

EL SIGUIENTE PASO.

Con el desarrollo del algoritmo de localización, también se trabaja para desarrollar un procedimiento que permita identificar el origen sísmico. Esto debido a que algunas de las señales detectadas se originan por perturbaciones como olas de tormenta, el paso de embarcaciones e incluso, fauna marina.

Todo esto busca encontrar un método de detección y notificación automatizada ante sismos y tsunamis. Los datos e información, que en conjunto con la red mundial de sismógrafos y boyas de detección de tsunamis, evolucionarían a un sistema de alerta sísmico para regiones donde aún no se cuente con una infraestructura similar.

Instituto de Investigaciones Geológicas y Atmosféricas A.C.

REFERENCIAS.

  • Zhan, Z., Cantono, M., Kamalov, V., Mecozzi, A., Müller, R., Yin, S., & Castellanos, J. C. (2021). Optical polarization–based seismic and water wave sensing on transoceanic cables. Science, 371(6532), 931-936.