Misurare terremoti e tsunami con reti in fibra ottica

Una fitta rete di stazioni di monitoraggio dei terremoti è una cosa ovvia nei Paesi ricchi come la Svizzera. Non è così nei Paesi meno sviluppati e in fondo agli oceani del mondo. Mentre nelle zone più povere del mondo mancano i fondi per il numero necessario di sensori, negli oceani devono essere installati sistemi complessi per misurare in modo affidabile le minime variazioni di pressione a migliaia di metri di profondità e portare i segnali dei dati alla superficie del mare.

Utilizzo secondario dei dati sulla soppressione del rumore

Gli scienziati dell'Istituto di geofisica dell'ETH di Zurigo, in collaborazione con l'Istituto federale di metrologia (METAS), hanno trovato un metodo sorprendente ed economico che consente di effettuare misurazioni accurate dei terremoti anche sul fondo dell'oceano e nei Paesi meno sviluppati. "Utilizziamo una funzione dell'infrastruttura in fibra ottica esistente e otteniamo i dati di scuotimento grazie alla soppressione attiva del rumore, che aumenta la precisione dei segnali nella comunicazione ottica dei dati", spiega il professore di geofisica Andreas Fichtner. I dati della soppressione attiva del rumore devono solo essere memorizzati e analizzati. Non sono necessarie attrezzature aggiuntive o infrastrutture costose.

Il "rumore" delle vibrazioni viene annullato

Per capire come la cancellazione attiva del rumore di fase (PNC) possa misurare le scosse telluriche, è utile fare un paragone con i sistemi di cancellazione del rumore utilizzati nelle attuali cuffie di fascia alta, che fanno scomparire quasi completamente il rumore ambientale per gli utenti. In questi sistemi, i microfoni captano il rumore esterno. Il controsegnale viene quindi immesso nei segnali audio praticamente in tempo reale. Questo controsegnale annulla il rumore esterno uno a uno, rendendolo inudibile.

Nel PNC di un sistema ottico di comunicazione dati, il "rumore ambientale" nella fibra ottica viene determinato confrontando il segnale trasmesso originariamente con un segnale parziale che viene riflesso dal ricevitore. La differenza tra i due segnali indica l'interferenza a cui è stato esposto il segnale luminoso nel suo percorso attraverso la fibra ottica. Come nel caso della cancellazione del rumore nelle cuffie, questa interferenza può essere annullata da un controsegnale corrispondente.

Le deformazioni cambiano minimamente la frequenza

Il "rumore" nella trasmissione ottica dei dati è causato da deformazioni di dimensioni micrometriche delle fibre. Sono il risultato delle deformazioni della superficie terrestre dovute a terremoti, onde d'acqua, differenze di pressione atmosferica e attività umane. Ogni deformazione accorcia o allunga leggermente la fibra. Questo porta a un cosiddetto effetto fotoelastico, che fa fluttuare minimamente la velocità della luce nella fibra.

Sia le variazioni della lunghezza delle fibre che le fluttuazioni della velocità della luce alterano la frequenza del segnale luminoso di un piccolo fattore. Questo fenomeno è noto da diversi anni ed è già stato utilizzato con speciali strumenti di misurazione per misurare le vibrazioni.

Grazie alla soppressione del rumore della comunicazione in fibra ottica dell'infrastruttura dell'orologio atomico svizzero studiata dagli scienziati dell'ETH e del METAS, questi strumenti di misura aggiuntivi sono superflui. Le deformazioni possono essere lette semplicemente dalla correzione dei segnali temporali. Questa corregge la lunghezza d'onda del segnale nell'intervallo dei terahertz (10¹² oscillazioni al secondo) di poche centinaia di Hertz e quindi di circa un decimo di miliardesimo.

Corrispondenza esatta con il servizio terremoti

Per quanto piccoli siano i cambiamenti, altrettanto chiara è l'immagine che mostrano delle vibrazioni a cui sono esposti i cavi in fibra ottica durante il periodo di osservazione. "Nel PNC del collegamento in fibra ottica tra Basilea e il sito dell'orologio atomico presso il METAS di Berna, non solo siamo stati in grado di riprodurre nel dettaglio ogni singola onda di un terremoto di magnitudo 3,9 in Alsazia", spiega Fichtner: "La modellazione del terremoto basata sui nostri dati corrispondeva anche in modo estremamente preciso alle misurazioni del Servizio sismologico svizzero".

Questa esatta corrispondenza dimostra che i dati PNC possono essere utilizzati per determinare la posizione, la profondità e la forza di un terremoto con un elevato grado di precisione. "Questo è particolarmente interessante per gli avvisi di tsunami senza soluzione di continuità o per le misurazioni dei terremoti nelle regioni meno sviluppate del mondo", spiega Fichtner.

I finanziamenti dell'ETH per la ricerca indipendente danno i loro frutti

Per Fichtner, anche la genesi del nuovo metodo è di formazione preliminare. L'idea è nata da una discussione tra i ricercatori dell'ETH e uno specialista del METAS. E non appena l'équipe dell'ETH METAS ha riconosciuto il potenziale dei dati PNC, è stata in grado di mettere in pratica l'idea. "Affinché possa emergere una scienza sorprendente, devono essere disponibili fondi per attività di ricerca che non seguono un obiettivo predefinito", sottolinea Fichtner: "L'ETH è ideale per un progetto di questo tipo. A differenza di molte altre scuole universitarie, come ricercatore ho a disposizione fondi non vincolati".