یک‌ قدم تا دستاورد تاریخی؛ سیستم پیش‌بینی زلزله با کابل‌های فیبر نوری

زمین‌لرزه اخیر خوی و ترکیه و سوریه یادآور بی‌رحمانه‌ای است که در اعماق زمین هنوز رازهایی پنهان هستند که می‌توانند با خود خرابی‌های بسیاری به‌همراه داشته باشند. دانشمندان به‌خوبی می‌دانند که گسل‌ها مستعد زلزله‌اند؛ اما نمی‌توانند تشخیص دهند که زلزله دقیقاً چه زمانی و با چه شدتی رخ خواهد داد. اگر می‌توانستند، تعداد کشته‌ها تا‌کنون به بیش از ۲۰ هزار نفر نمی‌رسید و امدادگران هنوز در تلاش برای یافتن بازماندگان نبودند.

با‌این‌حال در سال‌های اخیر، دانشمندان در ساخت سیستم‌های هشدار زودهنگام زلزله پیشرفت کرده‌اند که در آن لرزه‌سنج‌ها شروع حرکت را تشخیص می‌دهند و هشدارهایی را مستقیماً به تلفن‌های مردم ارسال می‌کنند. این هشدار روزها یا ساعت‌ها قبل از وقوع زلزله نیست؛ بلکه تنها چند ثانیه پیش‌تر از آن است. حملات لرزه‌ای سیاره برای دانشمندان خیلی ناگهانی است؛‌ به‌همین‌دلیل، نمی‌توانند زودتر به مردم هشدار دهند.

باوجوداین، شیوه‌ای جدید روزی می‌تواند سیستم‌های هشدار اولیه را تقویت و زمان بیشتری برای مردم فراهم کند تا برای مقابله با زلزله آماده شوند. به این روش، «سنجش صوتی توزیع‌شده (Distributed Acoustic Sensing به‌اختصار DAS) می‌گویند.

اگرچه DAS هنوز در مراحل ابتدایی خود است، می‌تواند به کابل‌های فیبر‌نوری مدفون در زیر پای ما به‌عنوان شبکه‌ای گسترده و بسیار حساس برای تشخیص امواج لرزه‌ای نگاه کند. این کابل‌ها برای مخابرات استفاده می‌شوند؛ اما می‌توان آن‌ها را برای سنجش زمین‌لرزه‌ها و فوران‌های آتشفشانی تغییر کاربری داد؛ زیرا حرکت زمین اندکی نور عبوری از کابل را مختل و سیگنال مشخصی ایجاد می‌کند.

هر سیستمی، چه لرزه‌سنج یا کابل فیبر نوری، نمی‌تواند شرایط را قبل از وقوع در حسگر تشخیص دهد. باید حسگر تاحدممکن به منبع نزدیک باشد تا بتوانیم زلزله را زود تشخیص دهیم. همه‌جا کابل‌های زیادی وجود دارد؛ بنابراین، اگر می‌توانستیم همه‌ی آن‌ها را به‌یک‌باره رصد کنیم، به‌محض وقوع اتفاق اطلاعاتی را دریافت می‌کردیم.

- فیلیپ ژوست

هنگامی‌که گسلی حرکت می‌کند، انواع مختلفی از امواج لرزه‌ای ایجاد می‌شوند. امواج اولیه که امواج P نام دارند، با سرعت ۳٫۷ مایل‌‌برثانیه حرکت می‌کنند. آن‌ها به خانه‌ها و سایر زیرساخت‌ها آسیب زیادی نمی‌زنند. درمقابل، امواج ثانویه یا امواج S بسیار آسیب‌رسان هستند و با سرعت ۲٫۵ مایل‌برثانیه حرکت می‌کنند.

از آن‌ها مخرب‌تر امواج سطحی هستند که تقریباً سرعتی مشابه امواج S دارند و در امتداد زمین حرکت می‌کنند و به تغییر شکل چشمگیر منجر می‌شوند. دلیل درصد زیاد مخرب‌بودن آن‌ها این است که انرژیش‌ان در صفحه‌ای نسبتاً صاف در امتداد سطح متمرکز می‌شود؛ در‌حالی‌که امواج P و امواج S به‌صورت سه‌بعدی در زیر زمین پخش می‌شوند و انرژی خود را توزیع می‌کنند.

سیستم‌های هشدار اولیه زلزله موجود، مانند ShakeAlert سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده آمریکا، از لرزه‌سنج‌ها برای بهره‌برداری از سرعت‌های متفاوت امواج لرزه‌ای استفاده می‌کنند. ShakeAlert از حدود ۱,۴۰۰ ایستگاه لرزه‌نگاری در سراسر کالیفرنیا و اورگان و واشنگتن تشکیل شده است و برنامه‌هایی برای افزودن نزدیک به ۳۰۰ ایستگاه دیگر وجود دارد.

ShakeAlert با نظارت بر امواج P، می‌تواند درباره‌ی حرکت امواج S و سطحی آسیب‌رسان خبر دهد. اگر زمین‌لرزه‌ای رخ دهد و حداقل چهار ایستگاه جداگانه رویداد را شناسایی کنند، آن سیگنال به مرکز داده ارسال می‌شود. اگر الگوریتم‌های سیستم مشخص کنند که لرزش بیشتر از ۵ ریشتر خواهد بود، هشداری اضطراری برای ارسال به تلفن‌های همراه ساکنان محلی ایجاد می‌کند. به‌لطف همکاری گوگل با ShakeAlert، درصورت احتمال وقوع زلزله‌ای بزرگ‌تر از ۴٫۵ ریشتر، برای کاربران اندروید پیامی ارسال خواهد شد.

تمام این انتقال داده‌ها از‌طریق تجهیزات مدرن مخابراتی با سرعت نور (حدود ۱۸۶ هزار مایل‌برثانیه) اتفاق می‌افتد که بسیار سریع‌تر از حرکت امواج لرزه‌ای مخرب است؛ اما اینکه پیام هشدار چقدر برای افراد کارآمد باشد، به فاصله‌ی آن‌ها از مرکز زلزله ارتباط دارد. اگر فردی به محل اصلی بسیار نزدیک باشد، زیاد تفاوتی میان دریافت کردن یا نکردن پیام وجود نخواهد داشت.

رابرت‌مایکل دی‌گروت، یکی از اعضای تیم عملیات ShakeAlert در مرکز علوم زلزله USGS می‌گوید:

همه‌چیز بسیار سریع اتفاق می‌افتد. اگر به‌اندازه‌ی کافی دور باشید، احتمالاً چند ثانیه فرصت در‌اختیارتان قرار می‌گیرد. این بهتر از دوران پیش از وجود هشدار اولیه زلزله است؛ زمانی‌که اساساًتنها سیگنالی که به شما از وقوع زلزله خبر می‌داد، لرزش محلی بود که در آن حضور داشتید.

- رابرت‌مایکل دی‌گروت، تیم ShakeAlert

در این چند ثانیه، شاید بتوانید به عزیزان خود بگویید که پناه بگیرند یا کودکانتان را زیر میز قرار دهید. ShakeAlert می‌تواند پیش از از راه رسیدن لرزه‌ی بزرگ‌تر اخطار دهد تا آسیب‌های وارد‌شده کاهش یابد. عملکرد DAS براساس اصول اولیه ShakeAlert است؛ فقط به‌جای نظارت بر امواج P از زلزله‌سنج‌ها، از کابل‌های فیبرنوری وسیع استفاده می‌کند.

دانشمندان از دستگاهی برای ارسال پالس‌های لیزری روی کابل‌ها استفاده خواهند کرد. اگر بخشی از پالس‌های ارسال‌شده با مشکل مواجه شود، سرویس شروع به تجزیه‌و‌تحلیل اطلاعات می‌کند. این داده‌ها براساس مدت‌زمانی که برگشت سیگنال به دستگاه طول کشیده است، محاسبه خواهد شد.

پارک سان‌یانگ، زلزله‌شناس دانشگاه شیکاگو می‌گوید:

یکی از مزایای بزرگ DAS این است که د‌رحال‌حاضر تعداد زیادی از آن کابل‌ها (فیبرنوری) وجود دارد؛ بنابراین، به‌راحتی دردسترس قرار می‌گیرد.

- پارک سان‌یانگ، زلزله‌شناس دانشگاه شیکاگو

DAS همچنین می‌تواند داده‌ها را در جایی جمع‌آوری کند که ایستگاه‌های لرزه‌ای مناسب وجود ندارد؛ مانند مناطق روستایی که کابل‌های فیبر‌نوری در زیر آن‌ها کشیده شده است. ازآن‌جاکه این کابل‌ها در زیر دریا نیز قرار دارند، می‌توانند زمین‌لرزه‌ها را در آن‌جا نیز ببینند. برای این بازه‌های طولانی‌تر، محققان «تکرارکننده‌ها» (Repeaters) را استفاده می‌کنند؛ دستگاه‌هایی که قبلاً هر چند کیلومتر در امتداد کابل‌ها قرار گرفته‌اند تا سیگنال‌ها را تقویت کنند.

سال گذشته، دانشمندان توضیح دادند چگونه از کابلی که از بریتانیا تا کانادا کشیده شده بود، برای شناسایی زمین‌لرزه‌ در پرو استفاده کردند. این شیوه به‌حدی حساس بود که کابل حتی حرکت جزرومد را نیز دریافت می‌کرد. این یعنی می‌توان از آن برای شناسایی سونامی‌های ناشی از زمین‌لرزه‌های زیر آب نیز بهره برد.

ماه گذشته نیز در ژورنال Scientific Reports، تیم جداگانه‌ای از محققان نحوه‌ی استفاده از کابل‌های زیردریایی در سواحل شیلی و یونان و فرانسه را برای شناسایی زمین‌لرزه توضیح دادند. اطلاعات به‌دست‌آمده با نتایج روش دیگر مقایسه شدند و مشخص شد آن‌ها با یکدیگر بسیار مطابقت دارند.

ایتزاک لیور، استاد لرزه‌شناس و نویسنده‌ی اصلی مقاله می‌گوید:

در زمان وقوع زلزله، می‌توانیم سیگنال‌های ثبت‌شده با استفاده از فیبرهای نوری را تجزیه‌و‌تحلیل کنیم و بزرگی آن را تخمین بزنیم. مسئله‌ی مهم این است که بزرگی زمین‌لرزه را در هر ۱۰ متر طول فیبر‌نوری می‌توانیم تخمین بزنیم.

- ایتزاک لیور

ازآن‌جاکه لرزه‌سنج سنتی یک نقطه را اندازه‌گیری می‌کند، نویز در داده‌های محلی مانند صدایی که وسایل نقلیه‌ی بزرگ ایجاد می‌کنند، می‌تواند در نتیجه تأثیر بگذارد. براساس گفته‌های لیور، با کابل فیبرنوری می‌توان به‌راحتی زلزله را از سروصدا تشخیص داد؛ زیرا اثرهای زلزله تقریباً بلافاصله در طول صدها متر ثبت می‌شود؛ اما اگر منبع صدای محلی باشد، مانند ماشین یا قطار یا هر‌چیز دیگری، فقط در چند‌ده متر آثار خود را به‌جای می‌گذارد.

درواقع، DAS وضوح داده‌های لرزه‌ای را افزایش چشمگیری می‌دهد؛ البته می‌توان آن را مکمل ابزارهای قدیمی‌تر در این حوزه دانست و قرار نیست جایگزین شود.

دراین‌میان، چندین مسئله بر سر راه DAS قرار دارد که در‌ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم. برای مثال، کابل‌های فیبرنوری برای شناسایی فعالیت‌های لرزه‌ای طراحی نشده‌اند. ممکن است کابل‌های مذکور به‌صورت آزادانه در لوله‌ها باشند؛ اما لرزه‌سنجی مناسب به‌خوبی تنظیم می‌شود و در جای خود قرار می‌گیرد. دانشمندان در حال تحقیق هستند که چگونه جمع‌آوری داده‌های کابل بسته به نحوه‌ی قرارگیری آن در زیر زمین تغییر می‌کند.

آریل للوچ، ژئوفیزیک‌دان، می‌گوید مسئله‌ی دیگر این است که شلیک مداوم پالس‌های لیزری و تجزیه‌وتحلیل داده‌ها حجم عظیمی از اطلاعات را ایجاد می‌کند. همین مسئله باعث می‌شود نتوان همه‌ی داده‌ها را در اینترنت آپلود و سپس در مکانی متمرکز پردازش کرد؛ زیرا زمان از دست می‌رود. درواقع، فرایند بررسی اطلاعات باید در محل انجام گیرد.

علم بارها به‌کمک بشر آمده است و امیدواریم به‌زودی بتوانیم نه‌تنها وقوع زلزله را تشخیص دهیم؛ بلکه آن را پیش‌بینی کنیم. بدین‌ترتیب، میزان آمار مرگ‌و‌میر کاهش خواهد یافت.