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Jul 07, 2023

Seismische Überwachungslaser könnten die Zukunft für den Schutz globaler Kommunikationskabel sein

Feature vom 13. Juni 2023 Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und dabei den Inhalt sichergestellt

Feature vom 13. Juni 2023

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von Hannah Bird, Phys.org

Die Tiefen der Ozeane beherbergen ein komplexes Ökosystem aus Meeresorganismen, aber auch ein riesiges Netzwerk aus Kabeln, die den Globus umspannen und die Kommunikation ermöglichen. Erdbeben und Tsunamis können diese wichtigen Kabel möglicherweise beschädigen. Die Erdoberfläche besteht zu mehr als 70 % aus Wasser, was eine Herausforderung für Wissenschaftler darstellt, die diese seismische Aktivität überwachen.

Allerdings bieten die Kabel selbst eine potenzielle neue Technik zur Überwachung seismischer Aktivität mithilfe von Laserlicht. Eine aktuelle Studie von Geo-Ocean-Forschern und ihren Mitarbeitern, über die in Earth and Planetary Science Letters berichtet wurde, nutzte Lasertechnologie, die sogenannte optische Brillouin-Zeitbereichsreflektometrie (BOTDR), um den strukturellen Zustand dieser Kabel nahezu in Echtzeit zu überwachen. Typischerweise wird diese Technik zur Überwachung großer Ingenieurprojekte wie Dämme und Brücken eingesetzt. Durch den Einsatz dieser Technologie in einer U-Boot-Umgebung können besonders beschädigungsgefährdete Kabel umgehend identifiziert und repariert werden.

Mit einem ferngesteuerten Fahrzeug nutzten die Wissenschaftler ein 6 km langes Kabel, um die Dehnung 2.100 Meter unter der Meeresoberfläche zu messen. Es wurde an ein riesiges, 29 km langes Glasfaserkabel angeschlossen, um die Erdbebenaktivität vor der Küste von Catania, Sizilien, zu messen. Dabei wurde ein Laser (mit Hunderttausenden Impulsen über zwei Stunden) durch ein Ende des Glasfaserkabels gefeuert und die Punkte ermittelt, an denen das Licht von Unvollkommenheiten gestreut wurde, wodurch Bereiche hervorgehoben wurden, in denen das Kabel auf irgendeine Weise deformiert war.

Über einen Zeitraum von 21 Monaten, beginnend im Oktober 2020, stellten sie fest, dass das Kabel eine durchschnittliche Längenzunahme von 2,5 cm aufwies, was auf eine durch Spannung verursachte Verformung an der Stelle zurückzuführen war, an der das Kabel die Nord-Alfeo-Verwerfung am Meeresboden überquerte. Dieses Gebiet ist anfällig für Streichverschiebungen (bei denen zwei tektonische Platten aneinander vorbeigleiten), obwohl im Untersuchungsabschnitt eine schmale Platte unter das Ionische Meer unter Nordostsizilien subduziert wurde und eine Dehnung von 500 m in beide Richtungen verursacht wurde Punkt, an dem die Verwerfung überschritten wird.

Bei weiteren Tests wurden 79 Sandsäcke mit einem Gewicht von jeweils 25 kg in Abständen von 120 Metern entlang des Kabels eingesetzt, was zu einer Verlängerung führte, als das Kabel in die weichen Sedimente darunter einsinkte und bis zu 4 cm gedehnt wurde. Wichtig ist, dass sich diese Dehnung nicht nur auf den Bereich beschränkte, in dem die Sandsäcke abgeworfen wurden, sondern sich tatsächlich auf die doppelte Länge der Intervalle auswirkte. Dies ist eine wichtige Erkenntnis, da das Vergraben von Kommunikationskabeln unter einer schweren Last liegt, die beispielsweise durch sich bewegende Blöcke oder das Absinken von Sedimenten während der Verwerfungsbewegung, starke Bodenströmungen oder Trübungsflüsse (ein Wasser-Sediment-Gemisch, das mit Geschwindigkeiten von bis zu 20 Meter pro Sekunde) könnte erhebliche Auswirkungen auf die Fähigkeit von Kommunikationskabeln haben, solchen Spannungen standzuhalten und ihre Integrität aufrechtzuerhalten.

Dennoch gibt es positive Nachrichten, da die elastischen Eigenschaften des Kabels dazu führen, dass ein Teil der Spannung mit der Zeit abgebaut wird; Daher hat das Kabel ein gewisses Potenzial, den Schaden zu „korrigieren“, und es ist daher weniger wahrscheinlich, dass es vollständig bricht.

Das in der Studie untersuchte Gebiet Italiens hat in der Vergangenheit verheerende Erdbeben erlebt, wie etwa das Erdbeben von 1693, bei dem allein in Catania 12.000 Menschen ums Leben kamen, oder das jüngere Erdbeben von 1908, bei dem bis zu 82.000 Menschen in der sogenannten Region auf tragische Weise ihr Leben verloren Kalabrischer Bogen, zu dem auch Catania gehört. Der neuartige Einsatz der Lasertechnologie könnte dazu führen, dass seismische Aktivitäten vor einem Erdbeben erkannt werden könnten und Zeit für die Planung von Strategien bleibt, die Schäden an Leben, Infrastruktur und unserer Kommunikation mindern könnten.

Mehr Informationen: Marc-André Gutscher et al., Detektion von Belastungen mit einem Glasfaserkabel am Meeresboden vor der Küste des Ätna, Süditalien, Earth and Planetary Science Letters (2023). DOI: 10.1016/j.epsl.2023.118230

Zeitschrifteninformationen:Briefe zur Erd- und Planetenwissenschaft

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