Redes de fibra óptica como sistema de alerta precoce para terremotos e tsunamis

Geofísicos da Universidade ETH Zurich, na Suíça, e do Instituto Federal Suíço de Metrologia (METAS) usaram o sistema de supressão de ruído de redes de fibra óptica para rastrear cada onda de um terremoto de magnitude 3,9.

A partir disto, eles desenvolveram um meio barato de registrar medições precisas de terremotos no fundo do oceano e em países menos desenvolvidos, que poderia ser usado como um sistema de alerta precoce para terremotos e tsunamis.

Cancelamento de ruído

Em muitos países, as redes de estações de monitoramento de sismos são padrão, mas não nos países menos desenvolvidos – que não têm dinheiro para o número necessário de sensores – e no fundo dos oceanos, onde são necessários sistemas complexos para medir de forma fiável as alterações mínimas de pressão em grandes profundidades.

O método utiliza redes de fibra óptica existentes para inferir medições precisas de terremotos no fundo do oceano e em países menos desenvolvidos, sem a necessidade de dispositivos adicionais ou infraestruturas caras.

“Estamos aproveitando uma função que a infraestrutura de fibra óptica existente já desempenha. Obtemos os dados de vibração do sistema ativo de supressão de ruído, que tem a função de aumentar a precisão dos sinais na comunicação óptica de dados”, explica o professor de geofísica Andreas Fichtner.

O método é baseado no cancelamento de ruído de fase (PNC), que explora gravações de uma frequência de compensação que normalmente é removida. É assim que os sistemas de supressão de ruído dos fones de ouvido de última geração praticamente eliminam o ruído ambiente para os usuários.

Os pesquisadores usaram simulações de campos de ondas de elementos espectrais que levam em conta a geometria complexa do cabo, para comparar registros observados e computados da frequência de compensação para um terremoto de magnitude 3,9 no sudeste da França, e uma ligação de fibra de 123 km entre a cidade de Basileia e o relógio atômico em Berna, na Suíça.

O “ruído” é causado quando as fibras ópticas são perturbadas pela deformação da superfície da Terra, por terremotos, ondas, diferenças na pressão do ar e pela atividade humana. Cada deformação encurta ou alonga ligeiramente a fibra, o que faz com que a velocidade da luz na fibra flutue ligeiramente, o que altera a frequência do sinal de luz por um pequeno fator.

Pequenas mudanças

Esta técnica já é utilizada em instrumentos especiais para medição de vibrações, mas neste caso tais instrumentos de medição adicionais são desnecessários. As deformações podem ser lidas a partir da correção dos sinais de tempo, que corrige o comprimento de onda do sinal. As mudanças são pequenas, mas oferecem uma ideia clara das vibrações às quais os cabos de fibra óptica foram expostos.

“Usando o PNC da ligação de fibra óptica entre Basileia e o local do relógio atômico no METAS em Berna, fomos capazes de rastrear detalhadamente cada onda de um terremoto de magnitude 3,9 na Alsácia”, disse Fichtner. “Mas, melhor ainda, um modelo do terremoto baseado em nossos dados também correspondeu com extrema precisão às medições feitas pelo Serviço Sismológico Suíço”, complementou ele.

Esta correspondência quase exata mostra que os dados PNC podem ser utilizados para determinar a localização, profundidade e magnitude de um terremoto com um alto grau de precisão. “Isto é particularmente interessante para alertas abrangentes de tsunamis ou para medir terremotos em regiões menos desenvolvidas do mundo”, conclui Fichtner.

Referência da notícia:

NOE, S. et al. Longe-range fiber-optic earthquake sensing by active phase noise cancellation. Scientific Reports, v. 13, 13983, 2023.