光學(xué)產(chǎn)品成為科學(xué)家預(yù)測(cè)地震的利器

Biondo Biondi是一個(gè)在斯坦福大學(xué)地球物理學(xué)教授，研究能源與環(huán)境科學(xué)，他設(shè)想通過(guò)密集的網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)十億級(jí)傳感器觀測(cè)臺(tái)，不斷監(jiān)測(cè)和分析地震。
在過(guò)去的一年中，Biondi的小組已經(jīng)證明，它是能夠從擾動(dòng)光纖絲預(yù)測(cè)地震發(fā)生的大小和方向信息。研究人員已經(jīng)在一個(gè)光纖環(huán)路三英里的斯坦福大學(xué)校園安裝在儀器。

數(shù)千英里的地下光纖穿過(guò)加利福尼亞的舊金山灣地區(qū)，為企業(yè)和家庭提供高速互聯(lián)網(wǎng)和高清視頻。研究人員使用的地震儀監(jiān)測(cè)地震，雖然電信陣列更敏感，但其覆蓋稀疏，而且十分昂貴的，安裝和維護(hù)具有較大挑戰(zhàn)，特別是在城市地區(qū)。

相比之下，像Biondi建議的那樣的地震觀測(cè)站運(yùn)行起來(lái)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較便宜。Biondi說(shuō)：“我們網(wǎng)絡(luò)中的每一米光纖都像一個(gè)傳感器，安裝起來(lái)花費(fèi)不到1美元。你永遠(yuǎn)不可能用常規(guī)地震儀創(chuàng)造一個(gè)這樣密度的覆蓋網(wǎng)絡(luò)”。

這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)將使科學(xué)家能夠更好地分析地震，尤其是小地震，并能更迅速地查明其來(lái)源。更大的傳感器覆蓋范圍也能更好地測(cè)量地面對(duì)震動(dòng)的響應(yīng)。

Biondi實(shí)驗(yàn)室的研究生Eileen Martin說(shuō)：“土木工程師們可以從這些建筑物和橋梁對(duì)數(shù)十億傳感器陣列中的小地震作出反應(yīng)，并利用這些信息來(lái)設(shè)計(jì)能夠承受更大震動(dòng)的建筑物”。

從反向散射到信號(hào)

光纖是純玻璃的線束，大約是人的頭發(fā)粗細(xì)。它們通常被捆綁在一起形成電纜，通過(guò)將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成光，遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。

Biondi不是第一個(gè)用光纖來(lái)研究環(huán)境的人，一種稱(chēng)為分布式聲學(xué)傳感（DAS）的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)石油和天然氣管道的健康狀況。

馬丁說(shuō)，DAS的工作原理是當(dāng)激光沿著纖維傳播時(shí)，它會(huì)碰到玻璃中的各種雜質(zhì)并反彈回來(lái)。如果纖維是完全靜止的，那么“后向散射”信號(hào)看起來(lái)總是一樣的。但是如果纖維在某些區(qū)域開(kāi)始拉伸，由于振動(dòng)或應(yīng)變，信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化。

較早的實(shí)現(xiàn)這種聲波傳感，但需要昂貴的光纖被貼到一個(gè)表面或包裹在水泥增加與地面的接觸，最大限度的保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。相比之下，Biondi在斯坦福大學(xué)的項(xiàng)目——光纖地震觀測(cè)臺(tái)——使用的是與電信公司一樣的光纖，它們是在中空塑料管道內(nèi)無(wú)擔(dān)保和自由浮動(dòng)的。

該陣列探測(cè)區(qū)分了兩種不同類(lèi)型的波，它們通過(guò)地球傳播，稱(chēng)為P波和S波。“我們的目標(biāo)之一是為早期地震預(yù)警系統(tǒng)作出貢獻(xiàn)，這將需要有檢測(cè)P波的能力，而這種波通常對(duì)S波的破壞性較小，但到達(dá)的時(shí)間要早得多”馬丁說(shuō)。斯坦福大學(xué)的光纖地震觀測(cè)臺(tái)只是開(kāi)發(fā)灣區(qū)廣域地震臺(tái)網(wǎng)的主要步驟，Biondi說(shuō)，如顯示該陣列可以在城市范圍內(nèi)發(fā)揮作用，仍有許多障礙需要克服。

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