水下基于光纤方法改善地震海啸监测

加州理工学院的地震学家开发了一种探测地震等自然灾害的方法，它利用了已经在投入使用的水下通信电缆的能力。这种方法不需要额外的设备或仪器，它分析通过这些光纤传播以监测地震和海浪的光束，将光纤转化为了地球物理传感器。以前，基于光纤基础设施研究地震活跃的工作使用了"暗"光纤，也就是那些不再使用的光纤。除了这些光学仪器，科学家还使用了其它科学仪器。使用这些已经到位的光纤基础设施来测量地震（某个地区地震的发生以及频率），具有低成本效益并且资源丰富，因为超过70%的地球被水覆盖。安装以及有效监测水下的光缆既昂贵又繁琐，但是它们是国际通信的支柱。

在这个新方法中，激光通过捆绑在主光缆中的玻璃纤维发送信息脉冲。该操作以超过200，000km/s的速度向接收方提供数据。为了监测穿过光纤的激光的极化特性，科学家通过控制传输过程中电场的方向，使多个信号同时通过同一光纤传输。在系统的接收端，器件检查每个信号的极化状态，来确定它沿光缆路径的变化以及变化的程度。这可以确保信号不会像传播时那样混合。虽然温度和天气变化等因素容易影响光通过陆基光纤和光缆网络的极化，但深海环境几乎保持不变，没有这些干扰。在测试中，科学家们专注于一条从加利福尼亚延伸到智利的海底光缆——居里电缆。他们发现，虽然随着时间的推移，从光缆一端到另一端的极化变化保持稳定，但如果在大洋中发生地震和风暴，极化会突然发生显著的变化。这样科学家可从中获得数据。研究人员最终以每秒20次的速度测量极化，这意味着该系统可以在地震袭击该地区后几秒钟内向潜在受地震影响的人们发出地震预警。

目前，当地震发生在近海时，地震波到达陆基地震仪可能需要几分钟的时间。验证海啸波则需要更长的时间。在一项介绍水下通信方法的研究中，研究人员报告了为期9个月的测试，在测试中，他们成功探测到了沿着居里电缆大约20次强度从中到大的地震。在此期间，他们没有探测到海啸，尽管他们确实探测到海洋膨胀引起的极化变化。研究小组认为，这些变化源于海底的压力变化，因为大能量海浪从光缆上移动。如果这些认识是正确的，这将意味着这种方法成功地显示了其探测海浪的能力，而且可以合理的认为这种方法也适用于海啸波的探测。

加州理工学院的团队正在开发一种机器学习算法，目的是确定地震或海浪（而不是系统其它的一些变化，如船舶或螃蟹经过光缆）是否会引起光极化的变化而被检测到。研究人员预计，除了由国家海洋和大气管理局国家数据浮标中心运营的全球陆基地震仪网络已经收集到的数据以及深海海啸评估和报告系统（DART）中的浮标之外，他们将能够将整个探测和预警过程自动化，以提供更多额外信息。

这项研究由Gordon和Betty Moore基金会资助，由地球物理学助理教授Zhongwen Zhan带领，发表在《Science》上。(www.doi.10.1126/science.abe6648)上。