文|創(chuàng)瞰巴黎
導讀
在數(shù)字時代，光纖通信電纜不僅連接人與信息，還悄然演變?yōu)楹Ｑ罂茖W和生態(tài)學的研究工具。本文揭示了光纜在海底的新使命：將其轉(zhuǎn)化為海底傳感器，用于實時監(jiān)測地震、海洋溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)。這一新方案究竟有何優(yōu)勢，如何將光纜變身為傳感器，引發(fā)了科學家們的探討。利用光纖電纜的這一前沿應用是否能帶來科學突破？它對我們對地球環(huán)境的認知和實時監(jiān)測系統(tǒng)的建立是否將成為未來的重要趨勢？
一覽：
- 全世界海底和沿海鋪設了許多用于通訊的光纖電纜。
- 目前，科學家們開發(fā)出了光纖電纜的一系列新用途，其中最主要的是監(jiān)測海底的地震聲波。
- 由于這一方案借用海底已經(jīng)鋪設好的電纜，所以成本低廉，而且收集的數(shù)據(jù)是實時、連續(xù)的。
- 新方案在地震研究預測、風暴動力學研究、鯨魚研究等領域有良好前景。
01
近年來，光纖通信電纜頻繁見諸于通訊學之外的論文中：地球科學、海洋學、生態(tài)學等等。能否簡單介紹一下光纖電纜的基本概況？
光纖電纜用于通訊，鋪設于海底和沿海地帶，用于全球電信通訊。它們的分布雖不均勻，但全球各地都有，太平洋和北大西洋尤其密集。每條海底電纜由大約15根玻璃光纖組成。地底下也可以鋪設光纖電纜，目前法國就有一個環(huán)尼斯大都市區(qū)的電纜建設項目。最近，科學家們開發(fā)出了光纖電纜在通訊之外的一系列新用途。
02
使用光纜可以獲得哪些數(shù)據(jù)？
測量單位長度電纜的形變，就能探測出地震聲波。一根電纜就像在海底部署的數(shù)百個地震儀。近期還有學者發(fā)現(xiàn)電纜可以用于測量海底溫度，其靈敏度可達0.001°C[1]。在此前，這一海床關鍵數(shù)據(jù)沒有其他獲得渠道。溫度信息有利于科學家更準確地描述內(nèi)波、上升流等海洋學現(xiàn)象。
通過光纜間接采集環(huán)境數(shù)據(jù)，是一個具有巨大潛力的方案，有望大幅提升人類對地球環(huán)境的認識，且能催生實時監(jiān)控系統(tǒng)、預警系統(tǒng)等新應用?？v觀科學史，會發(fā)現(xiàn)重大的理論突破往往與觀測技術的突破形影相伴。一“纜”多用，會給更多的科學謎題帶來答案。
03
為什么科學家們給予這一新方案如此厚望？使用光纖電纜收集海底數(shù)據(jù)，有什么優(yōu)勢？
海洋覆蓋地球表面的三分之二，但海底的傳感器很少。千里迢迢將設備安裝到海底，幾個月后再去回收，耗費大量的人力物力財力，還只能獲得間斷的數(shù)據(jù)。將通訊電纜轉(zhuǎn)換為“海床傳感器”，能創(chuàng)造前所未有的重大機遇。如果電纜上每隔幾米就能取一次數(shù)據(jù)，就相當于海底傳感器密度達到超高水平。現(xiàn)在，凡是超過300公里長的電纜每隔70公里左右都會配備一個中繼器。目前的測量技術還無法“跨段”收集數(shù)據(jù)，所以暫時只能測量距離海岸70公里處的情況。即便如此，光纜數(shù)據(jù)采集仍可以大顯身手，因為離岸70公里處往往是一國經(jīng)濟利益最密集之處。在未來，我相信技術可以克服中繼器帶來的限制。
利用光纖電纜收集數(shù)據(jù)有諸多優(yōu)點：無需在海床上額外加裝設備，不破壞海床環(huán)境，可靠性高，數(shù)據(jù)連續(xù)實時，且部署成本低，只要再安裝一套幾十萬歐元的儀器即可。由于其最終效果相當在海底安裝數(shù)千個傳感器，折合成每個傳感器的價格還不到10歐元，而且測量的靈敏度可與地震儀等傳統(tǒng)傳感器相媲美！
04
怎么才能將海底光纖電纜轉(zhuǎn)換成“傳感器”？
首先要安裝設備，步驟很簡單：只要在每個光纜陸地段安裝一個盒裝儀器即可。儀器的核心元件是一個激光器，向光纜發(fā)射光線。光纖玻璃制造過程中，不可避免地會形成微小的納米級瑕疵。當光在光纖內(nèi)傳播時，瑕疵就會反射光線。儀器會記錄下每次反射的情況，通過測量推斷出瑕疵是否發(fā)生位移，以檢測出環(huán)境中的聲波。這種技術稱為分布式聲學傳感測量（DAS），設備在市面上能買得到，是諸多解決方案中最常見的。
05
DAS技術的應用開始于何時？
最早開始使用DAS的是石油企業(yè)。2010年代，石油企業(yè)看中了光纜纖細結(jié)實的特質(zhì)，將其鋪設在油井用于DAS環(huán)境測量，不過不具有通訊功能。首先想到在已建成的電信電纜上進行DAS的是來自美國加州大學的一個團隊。2017年，該團隊發(fā)表了一篇論文[2]，以斯坦福大學校園的電信光纖為例，首次證明了如何使用已鋪設的電信電纜記錄地震活動。我們團隊深受啟發(fā)，很快在法國土倫周邊的電信電纜上進行了一次類似的試驗，發(fā)現(xiàn)DAS測量結(jié)果與該區(qū)域的地震活動和地震波動力學現(xiàn)象果真存在相關性[3]。
“利用光纖電纜收集數(shù)據(jù)，可靠性高，且數(shù)據(jù)連續(xù)實時?！?/p>
目前，使用DAS技術的研究者大部分來自地震學，可能是因為該領域本身就與石油開采、地球物理學有著密切聯(lián)系。不過，涉足DAS的領域在逐漸增加，提及DAS的學術論文數(shù)量正呈爆炸式增長：從2016年的不到20篇增加到2022年的150多篇。
06
利用光纜采集海底數(shù)據(jù)，有沒有引發(fā)科學突破？
現(xiàn)在仍處于探索階段，暫時沒有重大突破，但未來可不好說！我們通過研究，發(fā)現(xiàn)DAS能用于信號的轉(zhuǎn)化解讀，證明了DAS可以記錄地震數(shù)據(jù)。我們還在匯總過去未被監(jiān)測出來的地震，形成數(shù)據(jù)庫。團隊成員在法國東南部和南美洲的智利給當?shù)氐碾娦烹娎|裝上DAS監(jiān)測儀器，以更好地評判地震風險。收集的數(shù)據(jù)也許能提升人類對破壞性極大的海洋地震的了解，甚至做到實時監(jiān)測。
現(xiàn)有的研究告訴我們，DAS很適合分析海洋和風暴動力學 [4]，因為海面表面波產(chǎn)生的振動在海底可以檢測到，深海洋流更是不在話下，而且DAS數(shù)據(jù)還能計算出測量點的溫度，與其他數(shù)據(jù)互補。挪威的一個課題組最近證明了DAS在生物聲學中的應用[5]：監(jiān)測鯨魚的呼聲和定位，由此更好地了解鯨目動物與其環(huán)境之間的相互作用，及其如何受到人為噪音、水體運動等因素的影響。另外，由于DAS能探測出經(jīng)過的船只，完全可以將其結(jié)合到船只防撞系統(tǒng)中。
參考資料
1. Pelaez Qui ones, J.D., Sladen, A., Ponte, A. et al. High resolution seafloor thermometry for internal wave and upwelling monitoring using Distributed Acoustic Sensing. Sci Rep13, 17459 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023–44635 0
2. Lindsey N. J., Martin, E. R., Dreger, D. S., Freifeld, B., Cole, S., James, S. R., … Ajo-Franklin, J. B. (2017). Fiber-optic network observations of earthquake wavefields. Geophysical Research Letters, 44, 11,792–11,799. https://doi.org/10.1002/2017GL075722
3. Sladen, A., Rivet, D., Ampuero, J.P. et al. Distributed sensing of earthquakes and ocean-solid Earth interactions on seafloor telecom cables. Nat Commun 10, 5777 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019–13793 z
4. Mata Flores, D., Sladen, A., Ampuero, J.-P., Mercerat, E. D., &Rivet, D. (2023). Monitoring deep Sea currents with seafloor distributed acoustic sensing. Earth and Space Science, 10, e2022EA002723.
5. Bouffaut L, Taweesintananon K, Kriesell HJ, R rstadbotnen RA, Potter JR, Landr M, Johansen SE, Brenne JK, Haukanes A, Schjelderup O and Storvik F (2022) Eavesdropping at the Speed of Light: Distributed Acoustic Sensing of Baleen Whales in the Arctic. Front. Mar. Sci. 9:901348. doi: 10.3389/fmars.2022.901348