Il concetto di osservatorio Terra-Oceano-Atmosfera-Spazio. Il globo in alto a destra mostra l’estesa rete di cavi in fibra ottica (FO) esistenti (linee gialle). Il riquadro ingrandito in basso a sinistra illustra le caratteristiche principali dell’osservatorio e le sue capacità, tra cui il rilevamento DAS, il tracciamento e l’identificazione di balene, navi, tempeste e terremoti, elaborati in tempo reale, fusi con altre fonti di rilevamento come il satellite dati del sistema di identificazione automatica derivati dalle navi e trasmessi al cloud. Credito: illustrazione da Landrø et al. Rilevazione di balene, tempeste, navi e terremoti utilizzando un cavo in fibra ottica artica. Sci Rep 12, 19226 (2022)
Gli attuali sistemi di cavi in fibra ottica potrebbero essere sfruttati per creare un osservatorio oceano-terra economico e in tempo reale, fornendo la possibilità di monitorare qualsiasi cosa, dalle navi, ai terremoti, alle balene.
Un totale di oltre 1,2 milioni di chilometri di cavi in fibra ottica attraversano il mondo, trasmettendo telefonate, segnali Internet e dati. Tuttavia, quest’estate, i ricercatori hanno fatto una scoperta rivoluzionaria pubblicando gli strani suoni delle balenottere azzurre e comuni catturati da un cavo in fibra ottica sulla costa occidentale delle Svalbard.
I ricercatori ora hanno gli occhi puntati sull’intercettazione di una bestia ancora più grande: la Terra stessa.
La combinazione della rete mondiale in fibra ottica con i sistemi di telerilevamento esistenti, come i satelliti, potrebbe creare una rete globale di monitoraggio in tempo reale a basso costo, ha affermato Martin Landrø, professore presso il Università norvegese di scienza e tecnologia (NTNU) Dipartimento di Sistemi Elettronici e capo del Centro per le Previsioni Geofisiche.
“Questo potrebbe essere un osservatorio globale rivoluzionario per le scienze Oceano-Terra”, ha affermato. Landrø è stato l’autore principale di un articolo su come un tale sistema potrebbe funzionare, pubblicato in
La perdita di gas del Nord Stream nel Mar Baltico fotografata da un aereo della Guardia costiera svedese il 27 settembre 2022. I ricercatori dell’Università norvegese di scienza e tecnologia (NTNU) ritengono che le reti di cavi in fibra ottica potrebbero essere adatte al monitoraggio di questo tipo di perdite con più prove e ricerche. Credito:
Guardia costiera svedese
Piccoli cambiamenti in una fibra del diametro di un capello
I cavi in fibra ottica non sono una novità. Probabilmente stanno trasportando le informazioni che il tuo computer sta decodificando, quindi puoi leggere questo articolo.
Ciò che è cambiato, tuttavia, sono gli strumenti che possono essere utilizzati per estrarre informazioni da queste reti. Lo strumento in questione ha il nome piuttosto allarmante di un interrogatore.
L’interrogatore può essere collegato a una rete di cavi in fibra ottica per inviare un impulso di luce attraverso il cavo. Ogni volta che un’onda sonora o un’onda reale colpisce il cavo sottomarino, la fibra si flette, solo un po’.
“E possiamo misurare l’allungamento relativo della fibra in modo estremamente preciso”, ha affermato Landrø. “È in circolazione da molto tempo, questa tecnologia. Ma ha fatto un enorme passo avanti negli ultimi cinque anni. Quindi ora siamo in grado di usarlo per monitorare e misurare i segnali acustici su distanze fino a 100-200 chilometri. Quindi questa è la novità.
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I ricercatori dell’Università norvegese di scienza e tecnologia dispongono ora di un flusso di dati in tempo reale da un cavo in fibra ottica tra Longyearbyen e Ny-Ålesund alle Svalbard. Questo breve video mostra una balenottera comune che attraversa il cavo. L’“immagine” gialla che appare e poi scompare nella parte inferiore del video verso il centro è in realtà una registrazione della frequenza della vocalizzazione della balena, a 20 Hz. Questa è una frequenza tipica per le vocalizzazioni della balenottera comune, ed è così che i ricercatori possono identificarla. Credito: Centro NTNU per le previsioni geofisiche
Il team di Landrø, che comprende ricercatori di Sikt, l’Agenzia norvegese per i servizi condivisi nell’istruzione e nella ricerca, e Alcatel Submarine Networks Norway, AS, che ha fornito gli interrogatori, ha utilizzato un cavo in fibra ottica lungo 120 km tra Longyearbyen, il più grande insediamento delle Svalbard, e Ny-Ålesund, un avamposto di ricerca sulla costa sud-occidentale dell’isola più grande dell’arcipelago. Hanno monitorato il cavo per 44 giorni nel 2020 e hanno registrato più di 800 vocalizzazioni di balene. Puoi leggere di questi risultati Qui.
“Il cavo in fibra tra Longyearbyen e Ny-Ålesund, che è stato messo in produzione nel 2015 dopo 5 anni di pianificazione e lavoro preliminare, e finanziato principalmente dal nostro ministero, era destinato a servire la comunità di ricerca e la stazione geodetica di Ny Ålesund con alta e capacità di comunicazione resiliente”, ha affermato Olaf Schjelderup, capo della rete nazionale R&E di Sikt, in un precedente articolo sul progetto di monitoraggio. Schjelderup è stato anche coautore del nuovo articolo.
“L’esperimento DAS di rilevamento e osservazione delle balene mostra un uso completamente nuovo di questo tipo di infrastruttura in fibra ottica, che si traduce in una scienza eccellente e unica”, ha affermato.
La tecnologia è buona, ma l’autonomia continua ad essere un limite. La speranza è che migliorerà ulteriormente man mano che la tecnologia migliora, ha affermato Landrø.
“Sebbene gli attuali interrogatori non siano ancora in grado di rilevare oltre i ripetitori tipicamente utilizzati nei lunghi cavi in fibra ottica, la tecnologia si sta sviluppando molto rapidamente e prevediamo di poter superare presto queste limitazioni”, ha affermato Landrø.
Navi, terremoti e uno strano modello di onde
Nel processo di rilevamento dei richiami delle balene, i ricercatori sono stati anche in grado di rilevare le navi che passavano sopra o vicino al cavo, una serie di terremoti e uno strano modello di onde che alla fine si sono resi conto che era dovuto a tempeste lontane.
Le misurazioni erano abbastanza precise da poter correlare le loro misurazioni con ogni evento esatto accaduto, incluso un grande terremoto in Alaska, ha detto Landrø.
“Abbiamo visto molto traffico navale, ovviamente, e molti terremoti, il più grande dei quali è stato dall’Alaska”, ha detto. “È stato importante: l’abbiamo visto su ogni canale (nel cavo) per tutti i 120 km. E abbiamo anche visto che potevamo rilevare tempeste lontane”.
Un esempio di come il sistema è stato in grado di rilevare le navi ha coinvolto la Norbjørn, una nave da carico generale che è stata rilevata mentre attraversava il cavo in fibra ottica a circa 86,5 km da Longyearbyen. I ricercatori sono stati in grado di stimare la velocità della nave dalla sua traccia attraverso il cavo, e quindi hanno potuto verificarla con la traccia del sistema di identificazione automatica (AIS) della nave.
Una pubblicazione chiave del 1963
I ricercatori sono rimasti inizialmente perplessi dalla dozzina di serie di onde rilevate durante il periodo di monitoraggio. Ogni evento ondulatorio è durato tra le 50 e le 100 ore, durante le quali la frequenza delle onde è aumentata in modo monotono durante l’evento. Ma alla fine si sono resi conto che i segnali misteriosi erano le onde inviate da tempeste lontane.
“Queste sono le onde oceaniche fisiche che viaggiano sulla superficie del mare”, ha detto Landrø.
Le onde a frequenza più bassa viaggiano più velocemente, seguite da onde a frequenza più alta che arrivano fino a 6 giorni dopo. È uno schema riconosciuto nel 1963, quando l’oceanografo Walter Munk pubblicò un articolo in cui descriveva come gli scienziati potevano capire da dove provenissero le onde generate dalle tempeste, misurando la pendenza del diagramma frequenza-tempo delle onde e facendo alcuni calcoli .
Usando questi calcoli, il team di Landrø ha identificato la tempesta tropicale Eduardo, che si trovava a 4100 km dalle Svalbard nel Golfo del Messico. Hanno anche identificato una grande tempesta al largo del Brasile, a 13.000 km dal cavo delle Svalbard.
Ulteriori informazioni sui terremoti
I geologi dispongono già di una rete di sensori che li aiutano a monitorare e misurare i terremoti, chiamati sismometri. Questi strumenti sono sensibili e forniscono una grande quantità di informazioni dettagliate, ha affermato Landrø.
Tuttavia, i sismometri sono costosi e non sono così ampiamente distribuiti come la rete mondiale di cavi in fibra ottica.
L’unico inconveniente della rete in fibra ottica è che ha un rapporto segnale/rumore inferiore. Ciò significa che c’è molto rumore di fondo e il segnale, dal terremoto, non è così chiaro o forte rispetto al rumore di fondo.
Ma il vantaggio della rete in fibra è che è diffusa e già in atto, il che significa che potrebbe fornire informazioni aggiuntive ai sismometri esistenti. L’idea non sarebbe quella di sostituire il sistema esistente ma di integrarlo.
“La domanda quindi è: cosa possiamo imparare da un metodo che ha un rapporto segnale-rumore inferiore, ma ha una migliore copertura spaziale? Come potremmo usare queste informazioni extra, anche se di qualità inferiore, per saperne di più sul terremoto e sulle sue proprietà?”, ha detto Landrø.
Monitoraggio delle condutture per potenziali sabotaggi
C’è anche la questione se le reti in fibra ottica esistenti possano essere utilizzate per monitorare i gasdotti sottomarini, il che è particolarmente importante data l’esplosione di fine settembre che ha danneggiato i gasdotti Nord Stream 1 e 2.
“Possiamo utilizzare questa tecnologia in fibra ottica per monitorare e proteggere le infrastrutture sul fondo del mare? Questa è una domanda importante”, ha detto.
La sfida con le condutture è che fanno rumore, mentre il gas scorre attraverso il tubo.
“Con il rumore di fondo, dobbiamo caratterizzare la variabilità naturale. E poi se hai qualcosa che si avvicina a quel gasdotto, qual è la soglia? Quando agisci, cosa puoi rilevare? E non lo sappiamo”, ha detto. “Quindi il piano è di condurre test dedicati su questo.”
Alla fine, l’idea potrebbe essere quella di avere un monitoraggio in tempo reale delle condutture per assicurarsi che siano sicure. I ricercatori dispongono già di un flusso in tempo reale di dati acustici dalla rete in fibra delle Svalbard.
Riferimento bibliografico: “Sensing whales, storms, Ships and terremotos using an Arctic fiber optic cable” di Martin Landrø, Léa Bouffaut, Hannah Joy Kriesell, John Robert Potter, Robin André Rørstadbotnen, Kittinat Taweesintananon, Ståle Emil Johansen, Jan Kristoffer Brenne, Aksel Haukanes , Olaf Schjelderup e Frode Storvik, 10 novembre 2022, Rapporti scientifici.
DOI: 10.1038/s41598-022-23606-x
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