Światłowody ostrzegą nas przed osuwiskami? Nowe badanie

W nocy z 15 na 16 czerwca 2023 roku w dolinie koło Brienz w centralnej Szwajcarii doszło do sporych rozmiarów osuwiska, podczas którego w dół doliny runęło około 1,2 miliona metrów sześciennych skał. Zespół naukowców ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Badań Lasów, Śniegu i Krajobrazu oraz ETH Zürich monitorował to wydarzenie w niecodzienny sposób - za pomocą światłowodów internetowych zakopanych w ziemi.

Wykorzystanie światłowodów do monitorowania naturalnych zagrożeń może brzmieć nietypowo, ale metoda ta, zwana distributed acoustic sensing (w skrócie DAS, z ang. rozproszone wykrywanie akustyczne), okazuje się zaskakująco skutecznym narzędziem.

Osunięcia gruntu powodują mikroskopijne odkształcenia w światłowodach, co pozwala na precyzyjne pomiary tych deformacji w czasie rzeczywistym, a nawet na określenie ich miejsca z dokładnością do kilku metrów. Ponieważ światłowody mogą mieć długość dziesiątek kilometrów, metoda DAS jest z punktu widzenia naukowców niezwykle przydatna w monitorowaniu podobnych zagrożeń na odległość.

Aby skorzystać z tej metody, naukowcy potrzebują tzw. ciemnego światłowodu, czyli nieużywanego włókna w kablu telekomunikacyjnym. Do takiego włókna podłączają urządzenie zwane interrogatorem, które wysyła impulsy laserowe przez światłowód. Jeśli światłowód zostanie minimalnie odkształcony, impuls powraca w zmienionej formie, co pozwala na detekcję wstrząsów.

Metoda ta może być stosowana wszędzie tam, gdzie kable światłowodowe zakopano w ziemi - na przykład wzdłuż linii kolejowych. Zespół naukowców kierowany przez sejsmologa Fabiana Waltera, już wcześniej skutecznie monitorował lawiny śnieżne za pomocą tej technologii. Ruchy skał w Brienz stanowiły jednak unikalną okazję do przetestowania tej metody w kontekście osuwisk.

Przez 45 dni naukowcy wysyłali przez światłowód w Brienz impulsy laserowe, aż do osunięcia gruntu w nocy z 15 na 16 czerwca. "Pomiar przerósł nasze oczekiwania" - przyznał Walter. Badacze mówią, że przed głównym, osuwiskiem widocznym gołym okiem udało im się zmierzyć także setki małych osuwisk, które zwiastowały nadchodzące zjawisko.

Największym wyzwaniem przy wykrywaniu osuwisk za pomocą światłowodów jest odfiltrowanie pożądanych sygnałów m.in. od wibracji powodowanych przez pociągi czy ruch drogowy. W tym celu doktorantka WSL Jiahui Kang opracowała algorytm oparty na sztucznej inteligencji, który automatycznie rozpoznaje odpowiednie sygnały. Algorytm ten był w stanie poprawnie odfiltrować 95 proc. ruchów skał, co potwierdzają wyniki opublikowane w czasopiśmie Geophysical Research Letters.

Mimo obiecujących wyników metoda światłowodowa ma jeszcze kilka innych przeszkód do pokonania. Pomiary generują ogromne ilości danych - do kilku terabajtów dziennie - co stanowi ogromne wyzwanie dla analizy w czasie rzeczywistym. Bardzo drogie są także interrogatory - ich ceny osiągają często nawet ponad 100 tys. franków szwajcarskich (niemal 0,5 mln złotych). Według badaczy, na upowszechnienie tej technologii przyjdzie nam poczekać jeszcze kilka lat.

Metoda ta ma potencjał do monitorowania osuwisk, lawin, trzęsień ziemi i spływów gruzowych z wysoką precyzją i tym samym otwiera drogę do powstania udoskonalonych metod ostrzegania przed tymi zjawiskami. Potrzebna jest jedynie sieć światłowodowa - a ta stale rozprzestrzenia się po całym świecie.

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 90 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!