Исследователи, финансируемые ЕС, изучают, как подводные кабели связи могут использоваться в качестве экологических и сейсмических датчиков, что потенциально изменит правила игры для систем раннего предупреждения.
Майкл Аллен
Под мировым океаном происходит тихая революция. Более 1,48 миллиона километров подводных оптоволоконных кабелей передают почти весь глобальный интернет-трафик и телефонный трафик. Теперь исследователи показывают, что эти кабели могут делать больше, чем просто передавать данные: они могут слушать планету.
Улавливая крошечные изменения в том, как свет проходит через них, эти кабели могут обнаруживать изменения в движении, вибрации и температуре морского дна и воды.
Финансируемая ЕС исследовательская инициатива в развивающейся области оптоволоконного зондирования морского дна работает над технологией, позволяющей превратить дно океана в огромную обсерваторию реального времени. Сделанные открытия должны позволить ученым лучше отслеживать изменение климата, отслеживать тектоническую активность и улучшать предупреждения о цунами и землетрясениях.
Около 70 процентов поверхности Земли покрыто водой, однако большая часть ее недоступна для обычных сейсмологических инструментов.
«У нас отличное спутниковое покрытие морской поверхности», — сказал Марк-Андре Гутчер, морской геолог из исследовательского центра Geo-Ocean в Бресте, Франция. «Но глубоко под землей, где возникает большинство землетрясений и цунами, у нас очень мало прямых наблюдений».
Ситуация начинает меняться благодаря исследованиям того, как подводные кабели можно перепрофилировать в глобальную сенсорную сеть.
В этой области доминируют два взаимодополняющих метода: распределенное акустическое зондирование (DAS) и оптическая бриллюэновская рефлектометрия во временной области (BOTDR).
Гутшер возглавил семилетнюю исследовательскую инициативу под названием FOCUS, финансируемую ЕС, которая завершилась в сентябре 2025 года.
Было изучено, как эти два метода могут обнаружить крошечные деформации – всего один или два сантиметра – вдоль активных линий глубоководных разломов.
Чтобы проверить концепцию, команда проложила прототип кабеля длиной 6 километров по морскому дну вдоль разлома Северный Алфео у берегов Катании, Сицилия. Этот район подвержен сейсмической активности, поскольку расположен недалеко от горы Этна, крупнейшего и наиболее активного вулкана Европы.
В 1908 году землетрясение магнитудой 7,1 произошло в Мессинском проливе между Сицилией и материковой Италией, вызвав разрушительное цунами, унесшее жизни более 80 000 человек в результате одного из самых смертоносных стихийных бедствий в Европе. Цель исследователей — лучше оценить движения разломов на морском дне и помочь подготовить прибрежные сообщества до того, как подобные события повторятся в будущем.
Команда Гучера работала с Итальянским национальным институтом ядерной физики (INFN), который согласился подключить прототип кабеля FOCUS к существующему подводному кабелю, работающему из их морской обсерватории у побережья Катании, Сицилия.
Кабель, разработанный совместно с IDIL, французской компанией, специализирующейся на волоконно-оптических системах, аналогичен обычным телекоммуникационным кабелям, но включает в себя специальные сенсорные волокна, более чувствительные к механическим воздействиям на морском дне.
При толщине всего 9 миллиметров он сочетает в себе два типа оптического волокна: волокна со слабым буфером, аналогичные телекоммуникационным кабелям, и волокна с плотным буфером, более чувствительные к растяжению (механической деформации). Исследователи использовали BOTDR для измерения тонких изменений длины волокон, соответствующих деформации земной коры.
«Нашей главной целью было увидеть, что происходит перед землетрясением, чтобы обнаружить раннюю деформацию перед внезапным разрушением», — сказал доктор Джованни Баррека из Университета Катании.
Пока существенного движения не наблюдается, но это тоже поучительно. «Это означает, что разлом в настоящее время заблокирован и, вероятно, накапливает тектоническое напряжение», — сказал Гутчер. «Когда этот стресс уйдет, мы будем наблюдать».
Сицилийский кабель уже доказал свою эффективность. В конце 2020 года он обнаружил мощное подводное течение, возможно, вызванное подводным оползнем, своего рода «морской лавиной», которая может распространяться на сотни километров и иногда вызывать цунами.
Такие события наблюдаются редко, но оптоволоконные данные подробно фиксируют их характер. Это открывает возможности для мониторинга и обнаружения вторичных опасностей, которые могут угрожать прибрежным сообществам и жизненно важной инфраструктуре морского дна.
Тем временем команда FOCUS также изучила потенциал подводной телекоммуникационной кабельной сети для улучшения мониторинга окружающей среды.
Исследователи использовали местные подводные кабельные сети у карибского острова Гваделупа, чтобы отслеживать изменения температуры воды на морском дне.
Первоначально команде приходилось каждые несколько месяцев собирать данные вручную из наземных оптоволоконных релейных шкафов. Теперь, благодаря постоянной настройке, они могут удаленно контролировать кабели каждые три часа.
Их измерения фиксируют, как свет рассеивается внутри кабелей. Когда кабель повреждается, крошечные дефекты волокна слегка смещаются, изменяя диаграмму направленности света. Ученые отслеживают эти изменения, чтобы понять, что происходит на морском дне.
«Если что-то повреждает кабель – если оно тянет его, смещает, нагревает или охлаждает – мы можем это измерить», – объяснил Гутшер.
Анализируя, как световой сигнал меняется в зависимости от температуры, они обнаружили увеличение примерно на 1,5°C на мелководье за два года, что согласуется с измерениями температуры поверхности моря, выполненными спутниками. В то же время произошло массовое обесцвечивание кораллов, в результате которого потери коралловых рифов составили около 30 процентов.
В более глубоких водах у Гваделупы, от 300 до 700 метров, кабели демонстрируют меньшее повышение температуры — примерно от 0,2 до 1°C.
Эти результаты только что были приняты к публикации (в «Geophysical Research Letters») и подразумевают, что тысячи километров телекоммуникационных кабелей могут быть использованы для мониторинга изменений температуры на глубине океана, добавляя новое измерение к погодным измерениям.
«Хотя наша первоначальная цель — тектоника, эти измерения показывают, как одни и те же кабели могут отслеживать изменения, связанные с климатом», — сказал Гатшер. «Потенциал комплексного мониторинга окружающей среды и опасностей огромен».
Этот метод также может быть распространен на другие сейсмоопасные регионы, такие как Япония, Каскадия (вдоль тихоокеанского побережья Америки) и другие районы Средиземноморья.
Системы DAS могут обнаружить начальные сейсмические волны землетрясения в течение нескольких секунд, а BOTDR может отслеживать долгосрочную деформацию, которая нарастает с течением времени. DAS предлагает возможность немедленного оповещения о землетрясениях и цунами, а BOTDR может обеспечить долгосрочный мониторинг деформации разломов с потенциальным применением для прогнозирования землетрясений.
«Новое вторичное использование оптоволоконных кабелей может стать огромным прорывом в сейсмологии и предупреждении об опасностях», — сказал Гатчер. «Мы эффективно превращаем мировую цифровую нервную систему в экологическую».
При дальнейшем сотрудничестве и инвестициях дно океана – когда-то почти невидимое – может стать одним из самых мощных научных инструментов для защиты жизней и понимания нашей меняющейся планеты. Эта статья была первоначально опубликована в журнале Horizon, журнале исследований и инноваций ЕС.
