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加州理工用海底光纖檢測(cè)到海嘯信號(hào),為海嘯預(yù)警提供新的廉價(jià)方案

海嘯是一種全球性災(zāi)害,由海底地質(zhì)活動(dòng)如地震、山崩或火山爆發(fā)引起的海水突然位移所產(chǎn)生的巨大波浪。

它們有時(shí)候造成的破壞極為嚴(yán)重,比如 2004 年印度洋海嘯和 2011 年日本的福島海嘯,不僅導(dǎo)致超過 30 萬人死亡,還引發(fā)了如核泄漏等嚴(yán)重后果。

因此,建立有效的海嘯預(yù)警系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。目前,DART(Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis)系統(tǒng)是全球廣泛使用的一種預(yù)警機(jī)制,該系統(tǒng)由美國國家海洋和大氣管理局監(jiān)管,通過一系列海底壓力計(jì)和浮標(biāo)組成的網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測(cè)潛在的海嘯活動(dòng)。

盡管 DART 系統(tǒng)非常有效,但其安裝和維護(hù)成本極高,每個(gè)浮標(biāo)的安裝成本約為 50 萬美元,加上年維護(hù)費(fèi)用 30 萬美元,對(duì)于一些資源有限的國家來說,這是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)。

在過去幾十年里,電信行業(yè)已經(jīng)在全球海底鋪設(shè)了價(jià)值高達(dá)數(shù)千億美元的光纖電纜網(wǎng)絡(luò)。這些已經(jīng)存在的基礎(chǔ)設(shè)施為開發(fā)更經(jīng)濟(jì)高效的預(yù)警系統(tǒng)提供了獨(dú)特的機(jī)遇。

最近十幾年,通過采用尖端的光學(xué)技術(shù)和先進(jìn)的計(jì)算技術(shù),這些光纖電纜可以被轉(zhuǎn)換成一個(gè)高密度的海底傳感器網(wǎng)絡(luò)。

一個(gè)關(guān)鍵的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用所謂的“暗光纖”,即利用那些已經(jīng)鋪設(shè)但尚未用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w。這種利用方式意味著光纖電纜的主要通信功能不會(huì)受到任何干擾,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)成本效益高的監(jiān)測(cè)。

利用暗光纖作為傳感器,可以在不增加顯著成本的情況下,實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋深部的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

這種方法的成本效益主要體現(xiàn)在充分利用了已有的通信基礎(chǔ)設(shè)施,避免了額外的硬件投資和維護(hù)費(fèi)用。

但是由于光纖傳感器對(duì)于低頻的信號(hào)監(jiān)測(cè)能力較差,所以研究人員一直不能夠用光纖傳感的方法監(jiān)測(cè)海嘯。

基于此,目前在德國亥姆霍茲地學(xué)研究中心擔(dān)任研究科學(xué)家一職的肖晗博士和合作者,提出了一種新的陣列方法,首次成功捕捉到了海嘯信號(hào),使得這種監(jiān)測(cè)成為可能。

加州理工用海底光纖檢測(cè)到海嘯信號(hào),為海嘯預(yù)警提供新的廉價(jià)方案

圖 | 肖晗(來源:肖晗)

利用位于美國俄勒岡州沿岸的光纖電纜,他們成功檢測(cè)到了來自 17000 公里外桑德威奇群島的地震引發(fā)的海嘯。

值得注意的是,這次海嘯的發(fā)生地點(diǎn)與他們所使用的電纜和設(shè)備并沒有位于同一片海洋。

當(dāng)該海嘯波及俄勒岡州時(shí),其波高僅為幾厘米,未造成任何明顯破壞。盡管如此,他們依舊成功捕獲到了它的存在。

這一成果不僅展示了光纖傳感技術(shù)在監(jiān)測(cè)遙遠(yuǎn)海嘯活動(dòng)方面的潛力,也為全球海嘯預(yù)警系統(tǒng)提供了重要的技術(shù)支撐,證明即便是微弱的海嘯信號(hào)也能被有效檢測(cè),從而為提早預(yù)警和減輕潛在損害提供了可能。

當(dāng)前,海底光纖傳感技術(shù)正開辟著一片新的應(yīng)用領(lǐng)域,它不僅能夠用于海嘯和地震的早期預(yù)警,還能廣泛應(yīng)用于軍事監(jiān)控、船只追蹤、內(nèi)波測(cè)量、海洋溫度監(jiān)測(cè)以及氣候變化的深入研究。

加州理工用海底光纖檢測(cè)到海嘯信號(hào),為海嘯預(yù)警提供新的廉價(jià)方案

(來源:Geophysical Research Letters)

對(duì)于相關(guān)論文審稿人也評(píng)價(jià)稱:“看到光纖傳感數(shù)據(jù)能夠探測(cè)到這類海洋現(xiàn)象,我感到非常驚訝,因?yàn)槲覐奈聪脒^光纖傳感數(shù)據(jù)有足夠的靈敏度去檢測(cè)這類長周期波動(dòng)現(xiàn)象。”

如前所述,肖晗目前在德國工作。但是這項(xiàng)研究完成于他在美國做博士后期間。

幾年前,肖晗從美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校博士畢業(yè)之后,來到美國加州理工學(xué)院的地震學(xué)實(shí)驗(yàn)室做博士后。

那時(shí),他想趁著沒有論文發(fā)表畢業(yè)的壓力,做一些之前未被探索、相對(duì)“冒險(xiǎn)”的研究。因此,他和博后導(dǎo)師一拍即合,決定著手這個(gè)新課題。

起初,他們面臨不少挑戰(zhàn),嘗試了多種傳統(tǒng)方法卻屢屢碰壁,只能捕捉到一些模糊不清的信號(hào)。然而,有一晚回家的路上,肖晗忽然意識(shí)到他們并沒有充分利用手頭的數(shù)據(jù)。

因此他認(rèn)為應(yīng)該嘗試新的分析方法來全面挖掘這些數(shù)據(jù)。按照這個(gè)想法,第二天他們就捕獲到了明顯的低頻信號(hào),一周后又發(fā)現(xiàn)了高頻海嘯信號(hào)。

起初,他們對(duì)這是否真的是海嘯信號(hào)持保留態(tài)度,因?yàn)橄嚓P(guān)的研究資料十分有限。但經(jīng)過仔細(xì)數(shù)值模擬后,他們確認(rèn)了這確實(shí)是海嘯信號(hào)。

雖然一開始他們對(duì)結(jié)果感到困惑和不確定,但在實(shí)驗(yàn)室同事的鼓勵(lì)和支持下,他們的信心逐漸增強(qiáng)。

最終,相關(guān)論文以《用分布式水聲傳感探測(cè)地震亞重力波和海嘯波》(Detection of Earthquake Infragravity and Tsunami Waves With Underwater Distributed Acoustic Sensing)為題發(fā)在 Geophysical Research Letters[1],肖晗是第一作者兼通訊作者。

加州理工用海底光纖檢測(cè)到海嘯信號(hào),為海嘯預(yù)警提供新的廉價(jià)方案

圖 | 相關(guān)論文(來源:Geophysical Research Letters)

目前,肖晗等人正在開發(fā)一套軟件,這套軟件通過利用人工智能技術(shù),能夠?qū)崟r(shí)從光纖電纜中提取關(guān)鍵信息如海嘯警報(bào),從而為全球提供更經(jīng)濟(jì)、更高效的預(yù)警機(jī)制。

他希望未來不僅能夠大幅降低海嘯和地震預(yù)警的成本,也能為海洋環(huán)境的持續(xù)監(jiān)測(cè)、海底生態(tài)系統(tǒng)的研究提供有力的技術(shù)支持。

此外,肖晗也正在參與一個(gè)在德國啟動(dòng)的、由歐盟十幾個(gè)國家共同參與的大項(xiàng)目,該項(xiàng)目旨在進(jìn)行為期三年的海底光纖觀測(cè)研究。

這是一個(gè)規(guī)模龐大的跨國合作項(xiàng)目,他和同事在歐洲的多個(gè)地點(diǎn)布設(shè)了大量的光纖傳感器。

項(xiàng)目的核心目標(biāo)是探索海底光纖技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的前景,特別是在海洋觀測(cè)和災(zāi)害預(yù)警領(lǐng)域。

而肖晗個(gè)人的研究重點(diǎn)在于探索如何將人工智能技術(shù)集成到自動(dòng)檢測(cè)算法中。

他希望通過結(jié)合海底光纖技術(shù)和先進(jìn)的人工智能,開發(fā)出能夠自動(dòng)預(yù)警海嘯、地震以及其他自然災(zāi)害的系統(tǒng),從而為人們爭取更多的逃生時(shí)間,確保能被及時(shí)轉(zhuǎn)移到安全地帶。

通過這個(gè)項(xiàng)目,肖晗期待能夠?qū)⑦@一前沿科技轉(zhuǎn)化為實(shí)際的應(yīng)用工具,為全球的災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)對(duì)提供創(chuàng)新的解決方案。

參考資料:

1.Xiao, H., Spica, Z. J., Li, J., & Zhan, Z. (2024). Detection of earthquake infragravity and tsunami waves with underwater distributed acoustic sensing. Geophysical Research Letters, 51(2), e2023GL106767.

運(yùn)營/排版:何晨龍

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