文|創(chuàng)瞰巴黎
導(dǎo)讀
在數(shù)字時(shí)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(xué)和生態(tài)學(xué)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shì)，如何將光纜變身為傳感器，引發(fā)了科學(xué)家們的探討。利用光纖電纜的這一前沿應(yīng)用是否能帶來(lái)科學(xué)突破？它對(duì)我們對(duì)地球環(huán)境的認(rèn)知和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立是否將成為未來(lái)的重要趨勢(shì)？
一覽：
- 全世界海底和沿海鋪設(shè)了許多用于通訊的光纖電纜。
- 目前，科學(xué)家們開(kāi)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(cè)海底的地震聲波。
- 由于這一方案借用海底已經(jīng)鋪設(shè)好的電纜，所以成本低廉，而且收集的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)、連續(xù)的。
- 新方案在地震研究預(yù)測(cè)、風(fēng)暴動(dòng)力學(xué)研究、鯨魚(yú)研究等領(lǐng)域有良好前景。
01
近年來(lái)，光纖通信電纜頻繁見(jiàn)諸于通訊學(xué)之外的論文中：地球科學(xué)、海洋學(xué)、生態(tài)學(xué)等等。能否簡(jiǎn)單介紹一下光纖電纜的基本概況？
光纖電纜用于通訊，鋪設(shè)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(shè)光纖電纜，目前法國(guó)就有一個(gè)環(huán)尼斯大都市區(qū)的電纜建設(shè)項(xiàng)目。最近，科學(xué)家們開(kāi)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(cè)量單位長(zhǎng)度電纜的形變，就能探測(cè)出地震聲波。一根電纜就像在海底部署的數(shù)百個(gè)地震儀。近期還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)電纜可以用于測(cè)量海底溫度，其靈敏度可達(dá)0.001°C[1]。在此前，這一海床關(guān)鍵數(shù)據(jù)沒(méi)有其他獲得渠道。溫度信息有利于科學(xué)家更準(zhǔn)確地描述內(nèi)波、上升流等海洋學(xué)現(xiàn)象。
通過(guò)光纜間接采集環(huán)境數(shù)據(jù)，是一個(gè)具有巨大潛力的方案，有望大幅提升人類對(duì)地球環(huán)境的認(rèn)識(shí)，且能催生實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)等新應(yīng)用。縱觀科學(xué)史，會(huì)發(fā)現(xiàn)重大的理論突破往往與觀測(cè)技術(shù)的突破形影相伴。一“纜”多用，會(huì)給更多的科學(xué)謎題帶來(lái)答案。
03
為什么科學(xué)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(shì)？
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(shè)備安裝到海底，幾個(gè)月后再去回收，耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)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(jī)遇。如果電纜上每隔幾米就能取一次數(shù)據(jù)，就相當(dāng)于海底傳感器密度達(dá)到超高水平?，F(xiàn)在，凡是超過(guò)300公里長(zhǎng)的電纜每隔70公里左右都會(huì)配備一個(gè)中繼器。目前的測(cè)量技術(shù)還無(wú)法“跨段”收集數(shù)據(jù)，所以暫時(shí)只能測(cè)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?yàn)殡x岸70公里處往往是一國(guó)經(jīng)濟(jì)利益最密集之處。在未來(lái)，我相信技術(shù)可以克服中繼器帶來(lái)的限制。
利用光纖電纜收集數(shù)據(jù)有諸多優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需在海床上額外加裝設(shè)備，不破壞海床環(huán)境，可靠性高，數(shù)據(jù)連續(xù)實(shí)時(shí)，且部署成本低，只要再安裝一套幾十萬(wàn)歐元的儀器即可。由于其最終效果相當(dāng)在海底安裝數(shù)千個(gè)傳感器，折合成每個(gè)傳感器的價(jià)格還不到10歐元，而且測(cè)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(shè)備，步驟很簡(jiǎn)單：只要在每個(gè)光纜陸地段安裝一個(gè)盒裝儀器即可。儀器的核心元件是一個(gè)激光器，向光纜發(fā)射光線。光纖玻璃制造過(guò)程中，不可避免地會(huì)形成微小的納米級(jí)瑕疵。當(dāng)光在光纖內(nèi)傳播時(shí)，瑕疵就會(huì)反射光線。儀器會(huì)記錄下每次反射的情況，通過(guò)測(cè)量推斷出瑕疵是否發(fā)生位移，以檢測(cè)出環(huán)境中的聲波。這種技術(shù)稱為分布式聲學(xué)傳感測(cè)量（DAS），設(shè)備在市面上能買得到，是諸多解決方案中最常見(jiàn)的。
05
DAS技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)始于何時(shí)？
最早開(kāi)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(xì)結(jié)實(shí)的特質(zhì)，將其鋪設(shè)在油井用于DAS環(huán)境測(cè)量，不過(guò)不具有通訊功能。首先想到在已建成的電信電纜上進(jìn)行DAS的是來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)。2017年，該團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇論文[2]，以斯坦福大學(xué)校園的電信光纖為例，首次證明了如何使用已鋪設(shè)的電信電纜記錄地震活動(dòng)。我們團(tuán)隊(duì)深受啟發(fā)，很快在法國(guó)土倫周邊的電信電纜上進(jìn)行了一次類似的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)DAS測(cè)量結(jié)果與該區(qū)域的地震活動(dòng)和地震波動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象果真存在相關(guān)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(shí)時(shí)。”
目前，使用DAS技術(shù)的研究者大部分來(lái)自地震學(xué)，可能是因?yàn)樵擃I(lǐng)域本身就與石油開(kāi)采、地球物理學(xué)有著密切聯(lián)系。不過(guò)，涉足DAS的領(lǐng)域在逐漸增加，提及DAS的學(xué)術(shù)論文數(shù)量正呈爆炸式增長(zhǎng)：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(méi)有引發(fā)科學(xué)突破？
現(xiàn)在仍處于探索階段，暫時(shí)沒(méi)有重大突破，但未來(lái)可不好說(shuō)！我們通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)DAS能用于信號(hào)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(guò)去未被監(jiān)測(cè)出來(lái)的地震，形成數(shù)據(jù)庫(kù)。團(tuán)隊(duì)成員在法國(guó)東南部和南美洲的智利給當(dāng)?shù)氐碾娦烹娎|裝上DAS監(jiān)測(cè)儀器，以更好地評(píng)判地震風(fēng)險(xiǎn)。收集的數(shù)據(jù)也許能提升人類對(duì)破壞性極大的海洋地震的了解，甚至做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
現(xiàn)有的研究告訴我們，DAS很適合分析海洋和風(fēng)暴動(dòng)力學(xué) [4]，因?yàn)楹Ｃ姹砻娌óa(chǎn)生的振動(dòng)在海底可以檢測(cè)到，深海洋流更是不在話下，而且DAS數(shù)據(jù)還能計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)的溫度，與其他數(shù)據(jù)互補(bǔ)。挪威的一個(gè)課題組最近證明了DAS在生物聲學(xué)中的應(yīng)用[5]：監(jiān)測(cè)鯨魚(yú)的呼聲和定位，由此更好地了解鯨目動(dòng)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(yùn)動(dòng)等因素的影響。另外，由于DAS能探測(cè)出經(jīng)過(guò)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