光纜能預警地震?谷歌做到了,毫秒級反應速度,140萬公里海纜有望...

2020-11-23 36kr

編者按：本文來自微信公眾號「量子位」（ID:QbitAI），作者：賈浩楠，36氪經授權發布。

140萬公裡，這是全球海底光纜的總長度。

如今，這遍布全球的光纜網絡，可能被賦予另一項重要使命：地震監測。

上周五，谷歌CEO皮猜發推宣布，谷歌已經開發出了用光纜檢測地震的技術，探測範圍達到十萬公裡。

而且，今年一月以來，這項技術已經成功檢測到了多起地震，完全具有了實用意義。

最重要的的是，採用光纜探測傳遞地震信號，反應時間降低至毫秒級。

毫秒級的地震預警如何實現

2020年1月28日，谷歌的研究人員使用海底光纜，在牙買加附近檢測到一次7.7級地震。震中距離谷歌用來檢測的光纜1500公裡。

在此之後的幾個月，研究人員又檢測到了多次發生在世界各地的地震情況。地震烈度從4-6級都能準確檢測。

那麼谷歌是如何做到的呢？

在光纜中，光脈衝以每秒204190公裡的速度傳播，這個過程中，光脈衝會由於機械幹擾等原因會產生失真，接收端會檢測到這種失真並加以修正。

而接收端檢測的一個重要參數就是光脈衝的偏振態SOP（state of polarization）。

地震發生時，海底光纜受到地殼運動的影響產生機械形變，光纖的變形會導致在其中傳輸的光脈衝信號的偏振態（SOP）發生變化。

△傳統的海底地震觀測方法

通過監測和跟蹤極化活動狀態的這些變化，可以檢測地震活動。

但是，由於真實環境的複雜，谷歌的研究人員一直無法在SOP信號中分辨出真實的地震信號。

2018年，Science上的一篇來自法國的論文詳細闡述了用海底光纜檢測地震的方案。

他們的實驗使用窄帶超穩定觀察光脈衝的相位變化，這儘管需要安裝大量傳感器，且探測範圍很小，但這個思路給了谷歌研究人員啟發。

谷歌提出了一種基於SOP頻譜特徵來檢測地震的方法：對SOP的斯託克斯參數進行頻譜分析。

這是今年一月檢測到的牙買加7.7級地震時的光纜SOP頻譜圖：斯託克斯向量S1（左），S2（中心），S3（右），展示了SOP（極化狀態）的定量分析。

X軸為時間，Y軸為頻率，以赫茲為單位，不同的顏色代表不同的光譜密度。

地震發生後大約五分鐘時SOP頻譜出現明顯的峰值，這與地震波從牙買加到電纜的傳播時間相關，峰值持續時間約為10分鐘。

現在，谷歌已經在和加州理工大學合作開發這一項目，根據加州理工地震實驗室的說法，除了預測地震，這項技術還可以用來檢測光纜附近海水壓力的變化，幫助人們預警海嘯。

傳統的聲學地震或海嘯探測預警裝置最大的缺點就是不夠及時，因為海水中聲波速度只有800km/h，而如果震中附近剛好有一條光纜，那麼地震信息可以在幾毫秒內傳達到檢測站。

此外，谷歌SOP頻譜分析不需要在光纜上安裝大量傳感器，大大節約了成本和時間。

光纜大戶：你不知道的谷歌

當然，谷歌這項技術還只是在實驗階段，研究人員還需要更深入的研究不同類型的地震波在光纜SOP頻譜上的反映。谷歌還透露，今後可能會利用機器學習的手段來進行複雜的頻譜分析。

此外，應用這項技術的一個難題就是光纜的使用許可了。要建立覆蓋全球的地震檢測網，就不得不獲得各個國家海底光纜的使用權限。

△谷歌目前投資興建的所有海底光纜

這項工作前景還不甚明朗，但谷歌早就有另一手準備。

目前，谷歌已在全球範圍內投資了1條國際海底光纜，約佔全球海底光纜網絡總長度140萬公裡的10％。

其中的「居裡」光纜是連接一條連接美國西海岸到智利的光纜，全場約1萬公裡，據外媒推測，這就是今年一月谷歌檢測牙買加地震時用的光纜。

而且，與谷歌投建的其他光纜線路不同，這條「居裡」光纜，完全是谷歌私有的。

谷歌大力投資光纜項的最初目的是為了推廣它的雲服務到世界各地。

而現在，科技的進步卻賦予了海底光纜這一冰冷的商業項目更加人道和高尚的使命。

參考連結

https://cloud.google.com/blog/products/infrastructure/using-subsea-cables-to-detect-earthquakes

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