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原题目:中科大少年班团结谷歌将海底光缆变为“地震仪”,预警秒级可达

这是一项让谷歌 CEO 桑达尔・皮查伊(Sundar Pichai)发推力挺的研究,也是首次大规模验证海底光缆可大规模用于地震检测的研究,更是有中科大校友介入的研究。

图 | 谷歌 CEO 桑达尔・皮查伊于 2020 年发推特宣布该设计的更先

该研究由加州理工学院助理教授詹中文,团结谷歌光纤通讯专家互助完成。詹中文来自安徽省六安市,于 2006 年结业于中国科学手艺大学少年班。

他告诉 DeepTech:“我们信托这是监测海底地震流动性的第一个能在全球局限内大规模实行的解决方案。”

研究中,他们开发一种使用现有海底电缆探测地震的新方式,可开端检测到几十次地震,或将改善全球各地的地震 & 海啸预警系统。

2 月 26 日,相关论文以《跨洋电缆上基于光偏振的地震和水波传感》“Optical polarization-based sei *** ic and water wave sensing on transoceanic cables” 为题揭晓在 Science 上。

詹中文示意:“我们能将多数海底电缆转换成地球物理传感器,这些地球物理传感器长达数千公里,可以检测地震和可能发生的海啸。” 他还说:“对于现有地面地震仪和海啸监测浮标 *** 的功效,它可起到弥补作用,从而在更多场景下去检测海底地震和海啸。”

地球的 70% 被水笼罩着,使用海底电缆来检测地震,是科学家一直追求的设施。以美国为例,自 1980 年月更先,电信公司和 *** 在该国铺设了跨越一百万公里的光缆

专门在海底安装水下地震仪,又贵又难。现在全球的水下地震台也并不多,此前相关职员已使用激光过问丈量法和漫衍式声学传感方式,但这些方式普遍依赖 “暗光纤”—— 即已铺设且尚未投入使用的光缆。

很显著,最理想的设施是使用海底已有装备来监测地震,这不仅无需花钱购置新装备如激光源等,也不影响光缆执行其他义务,工人布设事情量也会更轻省。

另外,受温度、雷击等因素,地面光缆数据会泛起误差。而深海温度险些恒定,海底光缆较少受到扰动,因此得出的数据更准确。

与此同时,海底在遇到地震或海啸时,光缆会发生显著转变,进而发生的数据提醒,可让事情职员快速识别地震。

“一鱼两吃”:是光缆,也是 “海底地震仪”

研究中,詹中文和谷歌使用一条名叫居里(Curie)的海底光缆,该光缆此前由谷歌公司布设,从美国洛杉矶延伸到智利瓦尔帕莱索,全程长达一万多公里,其检测手艺可到达光学偏振过问仪的迅速率水平。

历程中,居里电缆可穿越南加州近海的多个断层,且三次穿过东太平洋隆起,最终到达太平洋科科斯板块,沿光缆段的平均水深为 4000m,穿过瓦尔帕莱索周围海沟时水深可达 6000m。

自 1900 年以来,该路段曾发生 50 多次 7.5 级以上地震,时代有两大地震很是人瞩目

一是 1960 年智利 9.5 级大地震,这也是有纪录以来的更大级别地震,据不完全统计,地震造成约 2 千多人殒命,200 万人流离失所,差异泉源估量经济损失在 4 -8 亿美元;

二是 1985 年墨西哥城的 8.1 级地震,那时 30% 的市中央修建物瞬间被毁,造成至少 7000 多人殒命。

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詹中文的地震测试时间耗时 9 个月,在 10 毫赫兹至 5 赫兹波段的频段中,居里电缆检测出约 30 场海洋风暴骤升事宜、以及约 20 场中大型地震,其中就有 2020 年 1 月 28 日发生在牙买加周围的 7.7 级地震。

图 | 牙买加 7.7 级地震发生的斯托克斯向量,X 轴是时间,Y 轴是频率,单元为赫兹,颜色代码显示光谱分量的强度。相比白色和粉红色,绿色示意更高的光谱密度,7.7 级震在 0.5 赫兹以下险些看不到绿色或白色的尖峰(泉源:谷歌)

使用本次新方式,居里电缆好比一个传感器,既能探测地震震惊、又能探测海浪,一旦发生偏振,其每秒内可丈量 20 次,若是周围发生地震,几秒内就可发出警报。

在光缆沿途一千公里以内,该方式可检测到绝大多数 5 级以上地震,由于 7 级以上的地震才会对人类生命、生发生涯发生较大影响,因此在可给人类带来伟大影响的地震 & 海啸展望上,新方式的能力完全够用。

详细手艺原理是,在光缆的光偏振中,若是同时流传两束差其余光,由于两束光的偏振差异,因此它们互不滋扰,并都能传输数据。

当发生地震时,光缆会被弯曲,这时光缆的光波偏向会被改变,因此数据也会泛起异常,此时在电缆另一端,事情职员就可注重到数据更改,从而发出预警提醒人人。

与此同时,丈量光偏振只用于提高通讯效率,并不涉及数据自己,因此不存在数据平安问题,而其他地震检测设施,则没有这样的优势。

归纳综合来说,该方式主要有几大优势:

第一是能更快发出警报:当地震发生在离岸数十英里处时,地震波到达陆地地震仪一样平常耗时几十秒,预警海啸则耗时更久,这异常晦气于逃生。而新方式使用光纤通讯信号,不仅能实时传输数据,速率也更快,以是数据无需分外从海底传输到数据中央,而这也是传统方式无法做到的。而且,电缆可在离地震更近的位置充当单个传感器,每秒最多可丈量 20 次。这意味着,若是地震发生在特定区域周围,有望在几秒钟内发出忠告。

第二是成本低:此前,全天下局限内的海啸预警,由约 60 个深海评估和海啸讲述浮标组成的希罕 *** 来实现,这些浮标大多沿着俯冲带漫衍,安装成本和维护成本较高。而新方式使用已布设的通讯光缆,无需增添仪器、更无需占用通讯带宽,故此成本更低。

第三是数据笼罩局限更广:海底光缆丈量的是光纤全程的偏振转变,而非此前的漫衍式丈量。这些数据不仅周全,“体积” 也不大,9 个月的数据量不到 1G,治理起来也很容易。此外,由于该手艺不需要分外装备,因此不存在数据伪造、或装备被盗的风险。

第四是联动性高:当前的海啸预警系统 DART(深海海啸评估和讲述,Deep-ocean Asses *** ent and Reporting of Tsunamis),已经可以迅速展望海啸起始时间和发生地址,再连系本次方式,可让海啸预告更完善。

第五是平安性高:詹中文示意,事情职员在研究光偏振时,并不会看到所传输的信息。而且,该研究的原始数据已经公然,任何人都能下载和学习,因此并不存在数据平安问题。

他归纳综合称:“该方式的提出填补了海洋地球物理观察的空缺,有望未来确立经济、高效的全球海底地球物理监测网。”

谷歌也示意:“(这)并非替换专用的地震传感器,而是作为弥补信息的泉源,以实现地震和海啸的预警。”

和谷歌互助:始于一次“借光缆”

和谷歌的互助,始于詹中文找谷歌“借器械”。一更先他问谷歌借光缆,一来二去双方越来越熟悉,索性就本次研究更先了互助。

只管在本次研究中,居里光缆没有发现海啸,但它已可检测到南太平洋海浪发生的偏振转变。该团队以为,这是由于巨浪经由电缆时,所引起的海底压力转变导致了上述偏振转变。对此,詹中文说:“这意味着光缆可检测到海浪,因此有可能在未来检测到海啸波。”

图 | 图为詹中文凭证谷歌数据构建的图像,其显示了 2020 年 3 月 25 日 至 4 月 13 日的相关海浪,X 轴是 0 到 0.16Hz 的频率,Y 轴是时间,黄色的斜拉丝线是海浪(泉源:谷歌)

在光纤的布设上,詹中文告诉 DeepTech,谷歌有专门的通讯部门认真。未来,他将和谷歌做全球光纤互助,届时可预警所有地震。此外,海啸通常由地震引起,海啸发生时,未来居里光缆也有望发出预警,从而让岸边行人实时撤离。

事实上,谷歌这类互联网企业做地震展望并不意外,在已往十年,谷歌已投资十条以上的光纤。

这类大厂每年发生的数据量呈爆炸性增进,而且他们在全球各地都有数据中央,以至于需要自己亲自做通讯,为的是利便毗邻全球各地的数据中央。

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