In California, migliaia di chilometri di cavi in fibra ottica attraversano lo stato, fornendo Internet alle persone. Ma questi cavi sotterranei possono avere anche una sorprendente funzione secondaria: possono rilevare e misurare i terremoti. In un nuovo studio al Caltech, gli scienziati riferiscono di aver utilizzato una sezione di cavo in fibra ottica per misurare dettagli intricati di un terremoto di magnitudo 6, individuando l’ora e la posizione di quattro singole asperità, le aree “bloccate” della faglia, che hanno portato alla rottura .
Per diversi anni, il professore di geofisica Zhongwen Zhan (PhD ’14) e il suo team hanno mirato a dimostrare che il riutilizzo dei cavi in fibra ottica è un modo semplice per espandere drasticamente la nostra capacità di misurare l’attività sismica producendo una fitta rete di sismometri improvvisati in un metodo chiamata percezione acustica distribuita. Il nuovo studio, che appare sulla rivista Naturaha utilizzato solo una sezione di cavo di 100 chilometri per comprendere con precisione i complessi meccanismi alla base di un particolare terremoto del 2021, suggerendo che l’accesso a più cavi consentirebbe una migliore comprensione della fisica dei terremoti e, in definitiva, migliori sistemi di allerta precoce dei terremoti.
“Se riusciamo a ottenere una copertura più ampia per misurare l’attività sismica, possiamo rivoluzionare il modo in cui studiamo i terremoti e fornire più allerta in anticipo”, afferma Zhan. “Sebbene non possiamo prevedere i terremoti, il rilevamento acustico distribuito porterà a una migliore comprensione dei dettagli alla base di come la terra si rompe”.
Ci sono circa 500 sismometri in tutte le circa 56.500 miglia quadrate nel sud della California, e ognuno costa fino a $ 50.000. D’altra parte, l’utilizzo di cavi in fibra ottica in tutto lo stato potrebbe equivalere a ricoprirlo con milioni di sismometri.
Per utilizzare un cavo in fibra ottica come sismometro, gli emettitori laser sono posizionati a un’estremità del cavo, sparando raggi di luce attraverso i lunghi e sottili fili di vetro che costituiscono l’anima del cavo. Il vetro presenta minuscole imperfezioni che riflettono una minuscola porzione di luce alla sorgente, dove viene registrata. In questo modo, ogni imperfezione funge da waypoint tracciabile lungo il cavo in fibra ottica, che è tipicamente interrato appena sotto il livello del suolo. Le onde sismiche che si muovono attraverso il terreno fanno oscillare leggermente il cavo, il che modifica il tempo di viaggio della luce da e verso questi waypoint. Pertanto, le imperfezioni lungo la lunghezza del cavo agiscono come migliaia di singoli sismometri che consentono ai sismologi di osservare il moto delle onde sismiche.
In questo nuovo studio, il team ha esaminato le firme luminose che viaggiano attraverso un tratto di cavo in fibra ottica situato nella Sierra Nevada orientale durante il terremoto di magnitudo 6 dell’Antelope Valley del 2021. La sezione del cavo era equivalente a 10.000 sismometri e si è potuto scoprire che l’M6 era costituito da una sequenza di quattro rotture più piccole. Questi cosiddetti “sotto-eventi”, come i mini terremoti, non potrebbero essere rilevati da una rete sismica convenzionale.
In collaborazione con il laboratorio di Nadia Lapusta, Lawrence A. Hanson, Jr., Professore di Ingegneria Meccanica e Geofisica, il team è stato in grado di creare un modello accurato del terremoto M6 basato sull’attività sismica misurata. Il modello ha mostrato la tempistica dei quattro eventi secondari e ha individuato le loro posizioni esatte nella regione della faglia.
“L’uso del cavo in fibra ottica come una serie di sismometri rivela aspetti della fisica dei terremoti che sono stati a lungo ipotizzati ma difficili da immaginare”, afferma Zhan. “Come analogia, immagina il tuo telescopio da giardino di tutti i giorni. Puoi vedere Giove, ma probabilmente non puoi vedere le sue lune o alcun dettaglio. Con un telescopio davvero potente, puoi vedere i dettagli fini del pianeta e delle superfici lunari. La nostra tecnologia è come un potente telescopio per i terremoti.”
Il documento si intitola “La rottura delle asperità del terremoto ripresa dal rilevamento acustico distribuito”. Jiaxuan Li, ricercatore associato post-dottorato in geofisica, è il primo autore dello studio. Oltre a Zhan, Li e Lapusta, altri coautori sono lo studente laureato Taeho Kim e lo scienziato DAS Ettore Biondi. Il finanziamento è stato fornito dalla National Science Foundation.
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