Исследователи из ЕС изучают возможность использования подводных коммуникационных кабелей в качестве датчиков для мониторинга окружающей среды и сейсмической активности. Это может стать революционным решением для систем раннего предупреждения.
Подводные кабели как датчики
Под водой, в глубинах океанов, происходит тихая революция. Более 1,48 миллиона километров подводных волоконно-оптических кабелей обеспечивают почти весь мировой интернет-трафик и телефонные звонки. Теперь исследователи показывают, что эти кабели могут не только передавать данные, но и «слушать» планету.
Регистрируя малейшие изменения в прохождении света через них, кабели могут обнаруживать сдвиги в движении, вибрации и температуре морского дна и воды.
Инициатива ЕС по созданию глобальной сети мониторинга
Исследовательская инициатива, финансируемая ЕС, в области волоконно-оптического мониторинга морского дна работает над созданием технологии, которая превратит океанское дно в огромную обсерваторию в реальном времени.
Открытия, сделанные в рамках этой инициативы, должны позволить учёным лучше отслеживать изменение климата, фиксировать тектоническую активность и улучшить предупреждения о цунами и землетрясениях.
Проблема мониторинга сейсмической активности
Около 70% поверхности Земли покрыто водой, но большая её часть недоступна для обычных сейсмологических инструментов.
«У нас есть отличный спутниковый охват поверхности моря, — сказал Марк-Андре Гушер, морской геофизик из исследовательского центра Geo-Ocean в Бресте, Франция. — Но глубоко под водой, где происходят большинство землетрясений и цунами, у нас очень мало прямых наблюдений».
Технологии для мониторинга
В этой области доминируют две взаимодополняющие технологии: распределённое акустическое зондирование (DAS) и рефлектометрия во временной области с использованием эффекта Бриллюэна (BOTDR).
Гушер возглавлял семилетнюю исследовательскую инициативу под названием FOCUS, финансируемую ЕС, которая завершилась в сентябре 2025 года. В рамках этой инициативы изучалось, как эти две технологии могут обнаруживать крошечные деформации — всего один-два сантиметра — вдоль активных глубоководных разломов.
Тестирование концепции
Для проверки концепции команда установила прототип кабеля длиной 6 километров через морское дно вдоль Северо-Альфейского разлома у Катании, Сицилия. Этот район подвержен сейсмической активности, поскольку расположен недалеко от горы Этна, крупнейшего и наиболее активного вулкана Европы.
Цель исследования
Цель исследователей — лучше оценить движения разломов на морском дне и помочь подготовить прибрежные сообщества к возможным подобным событиям в будущем.
Команда Гушера работала с Итальянским национальным институтом ядерной физики (INFN), который согласился подключить прототип кабеля FOCUS к существующему подводному кабелю, управляемому из их обсерватории на морском дне у побережья Катании, Сицилия.
Конструкция кабеля
Кабель, разработанный совместно с французской компанией IDIL, специализирующейся на волоконно-оптических системах, похож на обычные телекоммуникационные кабели, но включает в себя специальные сенсорные волокна, более чувствительные к механическим возмущениям на морском дне.
Толщина кабеля составляет всего 9 миллиметров, он сочетает в себе два типа оптических волокон: волокна с ослабленной буферизацией, аналогичные телекоммуникационным кабелям, и волокна с плотной буферизацией, более чувствительные к деформации (механической деформации).
Исследователи использовали BOTDR для измерения едва заметных изменений длины волокна, соответствующих деформации земной коры.
«Наша основная цель — увидеть, что происходит перед землетрясением, обнаружить раннюю деформацию перед внезапным разрывом», — сказал доктор Джованни Баррека из Университета Катании.
Результаты тестирования
Пока значительных движений не наблюдалось, но это тоже поучительно. «Это означает, что разлом в настоящее время заблокирован и, вероятно, накапливает тектоническое напряжение, — сказал Гушер. — Когда это напряжение будет снято, мы будем наблюдать».
Сицилийский кабель уже доказал свою ценность. В конце 2020 года он зафиксировал массивное подводное течение, возможно, вызванное подводным оползнем, своего рода «морской лавиной», которая может преодолевать сотни километров и иногда вызывать цунами.
Такие события наблюдаются редко, но волоконно-оптические данные подробно зафиксировали их. Это открывает возможности для мониторинга и обнаружения вторичных опасностей, которые могут угрожать прибрежным сообществам и жизненно важной инфраструктуре на морском дне.
Потенциал подводных телекоммуникационных сетей
Между тем команда FOCUS также изучила потенциал подводных телекоммуникационных кабельных сетей для улучшения мониторинга окружающей среды.
Исследователи использовали местные подводные кабельные сети у карибского острова Гваделупа для мониторинга изменений температуры воды у морского дна.
Изначально команде приходилось собирать данные вручную каждые несколько месяцев из наземных шкафов волоконно-оптической ретрансляции. Теперь, благодаря постоянной настройке, они могут отслеживать кабели удалённо каждые три часа.
Их измерения фиксируют, как свет рассеивается внутри кабелей. Когда кабель нарушается, крошечные дефекты в волокне слегка смещаются, изменяя рисунок света. Учёные отслеживают эти изменения, чтобы понять, что происходит на морском дне.
«Если что-то нарушит кабель — если он потянет его, сдвинет, нагреет или охладит — мы сможем это измерить», — объяснил Гушер.
Мониторинг температуры воды
Анализируя, как изменяется световой сигнал в зависимости от температуры, они обнаружили повышение температуры примерно на 1,5 °C в мелководных районах за два года, что согласуется с измерениями температуры поверхности моря, выполненными спутниками. В то же время произошло массовое обесцвечивание кораллов с потерей коралловых рифов примерно на 30%.
В более глубоких водах у Гваделупы, от 300 до 700 метров, кабели показывают более низкие повышения температуры — от 0,2 до 1 °C.
Эти результаты были приняты к публикации в «Geophysical Research Letters» и показывают, что тысячи километров телекоммуникационных кабелей могут быть использованы для мониторинга изменений температуры в глубоких океанах, добавляя новое измерение к метеорологическим измерениям.
«Хотя наша первоначальная цель — тектоника, эти измерения показывают, как те же кабели могут отслеживать изменения, связанные с климатом», — сказал Гушер. «Потенциал для комплексного мониторинга окружающей среды и опасностей огромен».
Применение технологии
Эта технология может быть также распространена на другие сейсмоопасные регионы, такие как Япония, Каскадия (вдоль тихоокеанского побережья Америки) и другие регионы Средиземноморья.
Системы DAS могут обнаруживать начальные сейсмические волны землетрясения в течение нескольких секунд, в то время как BOTDR может отслеживать долгосрочную деформацию, которая накапливается с течением времени. DAS обеспечивает потенциал для немедленных предупреждений о землетрясениях и цунами, в то время как BOTDR может обеспечить долгосрочный мониторинг деформации разломов с потенциальным применением для прогнозирования землетрясений.
«Новое вторичное использование волоконно-оптических кабелей может стать огромным прорывом в сейсмологии и предупреждении об опасностях», — сказал Гушер. «Мы фактически превращаем мировую цифровую нервную систему в экологическую».
При дальнейшем сотрудничестве и инвестициях океанское дно, которое когда-то было почти невидимым, может стать одним из самых мощных инструментов науки для защиты жизней и понимания нашей меняющейся планеты.
Предоставлено Horizon: The EU Research & Innovation Magazine.