Redes de fibra óptica como sistema de alerta temprana de terremotos y tsunamis

Geofísicos de la ETH Zurich y del Instituto Federal Suizo de Metrología (METAS) han rastreado cada onda de un terremoto de magnitud 3,9 mediante el sistema de supresión de ruido de redes de fibra óptica.

A partir de esto, desarrollaron un medio económico para registrar mediciones precisas de terremotos en el fondo del océano y en países menos desarrollados que podría usarse como un sistema de alerta temprana para terremotos y tsunamis.

Cancelación de ruido

En muchos países, las redes de estaciones de vigilancia sísmica son estándar, pero no en los países menos desarrollados -que carecen del dinero para el número necesario de sensores- y en el fondo de los océanos del mundo, donde se requieren sistemas complejos para medir con fiabilidad los cambios mínimos de presión a grandes profundidades.

El método utiliza redes de fibra óptica existentes para inferir mediciones precisas de terremotos en el fondo del océano y en países menos desarrollados, sin necesidad de dispositivos adicionales ni infraestructura costosa.

“Estamos aprovechando una función que la infraestructura de fibra óptica existente ya realiza. Los datos de vibración los obtenemos del sistema de supresión activa de ruido, que tiene la función de aumentar la precisión de las señales en la comunicación óptica de datos”, explica el profesor de geofísica Andreas Fichtner.

El método se basa en la cancelación de ruido de fase (PNC), que aprovecha las grabaciones de una frecuencia de compensación que habitualmente se elimina. Así es como los sistemas de supresión de ruido de los auriculares de gama alta prácticamente eliminan el ruido ambiental para los usuarios.

Los investigadores utilizaron simulaciones de campos de ondas de elementos espectrales que tienen en cuenta la compleja geometría del cable para comparar registros observados y calculados de la frecuencia de compensación de un terremoto de magnitud 3,9 en el sureste de Francia y un enlace de fibra de 123 km entre Basilea y el reloj atómico de Berna, Suiza.

El “ruido” se produce cuando las fibras ópticas se ven perturbadas por deformaciones en la superficie terrestre, por terremotos, ondas, diferencias de presión del aire y actividad humana. Cada deformación acorta o alarga ligeramente la fibra, lo que hace que la velocidad de la luz en la fibra fluctúe ligeramente, lo que altera la frecuencia de la señal luminosa en un factor minúsculo.

Pequeños cambios

Esta técnica ya se utiliza en instrumentos especiales para medir vibraciones, pero en este caso estos instrumentos de medición adicionales son innecesarios. Las deformaciones se pueden leer a partir de la corrección de las señales horarias, que corrige la longitud de onda de la señal. Los cambios son pequeños pero ofrecen una idea clara de las vibraciones a las que estuvieron expuestos los cables de fibra óptica.

"Utilizando el PNC de la conexión de fibra óptica entre Basilea y el sitio del reloj atómico en METAS en Berna, pudimos seguir en detalle cada onda de un terremoto de magnitud 3,9 en Alsacia", dice Fichtner. "Pero aún mejor, un modelo del terremoto basado en nuestros datos también correspondía con gran precisión a las mediciones realizadas por el Servicio Sismológico Suizo".

Esta coincidencia casi exacta muestra que los datos de PNC se pueden utilizar para determinar la ubicación, profundidad y magnitud de un terremoto con un alto grado de precisión. "Esto es especialmente interesante para alertas integrales de tsunamis o para medir terremotos en regiones menos desarrolladas del mundo", concluye Fichtner.

El trabajo ha sido publicado en Scientific Reports.