Bestehende Glasfaserkabelnetze könnten genutzt werden, um ein kostengünstiges Echtzeit-Ozean-Erde-Observatorium einzurichten

Die mehr als 1,2 Millionen Kilometer Glasfaserkabel, die den Planeten durchziehen, übertragen die Telefongespräche, Internetsignale und Daten der Welt. Aber in diesem Sommer veröffentlichten Forscher die unheimlichen Geräusche von Blau- und Finnwalen, die von einem Glasfaserkabel an der Westküste von Spitzbergen entdeckt wurden – eine Premiere.

Jetzt wollen die Forscher ein noch größeres Tier belauschen – die Erde selbst.

Die Kombination des weltweiten Glasfasernetzes mit bestehenden Fernerkundungssystemen wie Satelliten könnte ein kostengünstiges globales Echtzeit-Überwachungsnetz schaffen, sagte Martin Landrø, Professor an der Abteilung für Elektronik der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU). Systems und Leiter des Center for Geophysical Forecasting.

„Dies könnte ein bahnbrechendes globales Observatorium für Ozean-Erde-Wissenschaften sein“, sagte er. Landrø war Hauptautor eines Artikels darüber, wie ein solches System funktionieren könnte, veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichte.

Winzige Veränderungen in einer Faser vom Durchmesser eines Haares

Glasfaserkabel sind nichts Neues. Sie enthalten wahrscheinlich die Informationen, die Ihr Computer entschlüsselt, damit Sie diesen Artikel lesen können.

Was sich jedoch geändert hat, sind die Tools, mit denen Informationen aus diesen Netzwerken extrahiert werden können. Das fragliche Werkzeug hat den ziemlich alarmierenden Namen eines Vernehmers.

Der Interrogator kann an ein Glasfaserkabelnetz angeschlossen werden, um einen Lichtimpuls durch das Kabel zu senden. Jedes Mal, wenn eine Schallwelle oder eine tatsächliche Welle auf das Unterwasserkabel trifft, biegt sich die Faser nur ein wenig.

Forscher der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie haben jetzt einen Echtzeit-Datenstrom von einem Glasfaserkabel zwischen Longyearbyen und Ny-Ålesund auf Spitzbergen. Dieses kurze Video zeigt einen Finnwal, der am Kabel vorbeischwimmt. Das gelbe „Bild“ erscheint und verschwindet dann am unteren Rand des Videos in Richtung Mitte ist eigentlich eine Aufzeichnung der Frequenz der Lautäußerung des Wals bei 20 Hz. Das ist eine typische Frequenz für Finnwalvokalisationen, so können die Forscher sie identifizieren. Bildnachweis: Zentrum für geophysikalische Vorhersagen der NTNU

„Und wir können die relative Dehnung der Faser extrem genau messen“, sagt Landrø. „Es gibt sie schon lange, diese Technologie. Aber sie hat in den letzten fünf Jahren einen großen Schritt nach vorne gemacht. Damit können wir jetzt akustische Signale über Entfernungen von bis zu 100 bis 200 Kilometern überwachen und messen.“ . Das ist also das Neue.“

Landrøs Team – darunter Forscher von Sikt, der norwegischen Agentur für gemeinsame Dienste in Bildung und Forschung, und Alcatel Submarine Networks Norway, AS, das die Vernehmer zur Verfügung stellte, verwendete ein 120 km langes Glasfaserkabel zwischen Longyearbyen, der größten Siedlung auf Spitzbergen, und Ny-Ålesund, ein Forschungsaußenposten an der Südwestküste der größten Insel des Archipels. Sie haben das Kabel im Jahr 2020 44 Tage lang überwacht und mehr als 800 Walvokalisationen gezählt.

„Das Glasfaserkabel zwischen Longyearbyen und Ny-Ålesund, das 2015 nach 5 Jahren Planung und Vorarbeit in Betrieb genommen und hauptsächlich von unserem Ministerium finanziert wurde, sollte der Forschungsgemeinschaft und der geodätischen Station in Ny Ålesund mit hoher und hoher Qualität dienen belastbare Kommunikationskapazität“, sagte Olaf Schjelderup, Leiter des nationalen R&E-Netzwerks von Sikt, in einem früheren Artikel über das Überwachungsprojekt. Schjelderup war auch Co-Autor des neuen Papiers.

„Das DAS-Sensorik- und Walbeobachtungsexperiment zeigt eine völlig neue Nutzung dieser Art von Glasfaserinfrastruktur, was zu exzellenter, einzigartiger Wissenschaft führt“, sagte er.

Die Technologie ist gut, aber die Reichweite ist weiterhin begrenzt. Die Hoffnung ist, dass es noch besser wird, wenn sich die Technologie verbessert, sagte Landrø.

„Obwohl aktuelle Interrogatoren noch nicht in der Lage sind, über die Repeater hinaus zu erfassen, die typischerweise in langen Glasfaserkabeln verwendet werden, entwickelt sich die Technologie sehr schnell und wir gehen davon aus, dass wir diese Einschränkungen bald überwinden können“, sagte Landrø.

Schiffe, Erdbeben und ein seltsames Wellenmuster

Bei der Erkennung von Walrufen konnten die Forscher auch Schiffe erkennen, die über oder in der Nähe des Kabels vorbeifuhren, eine Reihe von Erdbeben und ein seltsames Wellenmuster, von dem sie schließlich erkannten, dass es auf entfernte Stürme zurückzuführen war.

Die Messungen waren präzise genug, dass sie ihre Messungen mit jedem genauen Ereignis korrelieren konnten, das passiert war – einschließlich eines großen Erdbebens in Alaska, sagte Landrø.

„Wir haben natürlich viel Schiffsverkehr und viele Erdbeben gesehen, von denen das größte in Alaska war“, sagte er. „Das war eine große Sache – wir haben es auf allen Kanälen (im Kabel) für alle 120 km gesehen. Und wir haben auch gesehen, dass wir entfernte Stürme erkennen konnten.“

Ein Beispiel dafür, wie das System Schiffe erkennen konnte, war die Norbjørn, ein Stückgutfrachter, der beim Überqueren des Glasfaserkabels etwa 86,5 km von Longyearbyen entfernt entdeckt wurde. Die Forscher waren in der Lage, die Geschwindigkeit des Schiffes anhand seiner Spur über das Kabel abzuschätzen und sie dann mit der Spur des automatischen Identifikationssystems (AIS) des Schiffes zu verifizieren.

Eine Schlüsselpublikation aus dem Jahr 1963

Die Forscher waren zunächst verblüfft über das Dutzend Wellenserien, die sie während des Überwachungszeitraums entdeckten. Jedes Wellenereignis dauerte zwischen 50 und 100 Stunden, wobei die Frequenz der Wellen während des Ereignisses monoton zunahm. Aber schließlich erkannten sie, dass die mysteriösen Signale die Wellen waren, die von fernen Stürmen gesendet wurden.

„Das sind die physischen Ozeanwellen, die sich auf der Meeresoberfläche ausbreiten“, sagte Landrø.

Die Wellen mit der niedrigsten Frequenz breiten sich am schnellsten aus, gefolgt von Wellen mit höherer Frequenz, die bis zu 6 Tage später eintreffen. Es ist ein Muster, das 1963 erkannt wurde, als der Ozeanograph Walter Munk eine Abhandlung veröffentlicht beschrieben, wie Wissenschaftler herausfinden konnten, woher die von Stürmen erzeugten Wellen kamen, indem sie die Steigung des Frequenz-Zeit-Diagramms der Wellen maßen und einige Berechnungen anstellten.

Anhand dieser Berechnungen identifizierte Landrøs Team den Tropensturm Eduardo, der 4100 km von Svalbard entfernt im Golf von Mexiko lag. Sie identifizierten auch einen großen Sturm vor Brasilien, 13.000 km vom Svalbard-Kabel entfernt.

Weitere Informationen zu Erdbeben

Geologen haben bereits ein Netzwerk von Sensoren, die Seismometer genannt werden, die ihnen helfen, Erdbeben zu überwachen und zu messen. Diese Instrumente sind empfindlich und liefern viele detaillierte Informationen, sagte Landrø.

Seismometer sind jedoch teuer und bei weitem nicht so weit verbreitet wie das weltweite Glasfaserkabelnetz.

Der einzige Nachteil des Glasfasernetzes ist, dass es einen niedrigeren Signal-Rausch-Abstand hat. Das bedeutet, dass es viele Hintergrundgeräusche gibt und das Signal – vom Erdbeben – nicht so klar oder stark gegen das Hintergrundgeräusch ist.

Der Vorteil des Glasfasernetzes besteht jedoch darin, dass es weit verbreitet und bereits vorhanden ist, was bedeutet, dass es zusätzliche Informationen zu bestehenden Seismometern liefern könnte. Die Idee wäre nicht, das bestehende System zu ersetzen, sondern es zu ergänzen.

„Die Frage ist dann, was können wir von einer Methode lernen, die ein niedrigeres Signal-Rausch-Verhältnis, aber eine bessere räumliche Abdeckung hat? Wie könnten wir diese zusätzlichen Informationen nutzen, auch wenn sie von geringerer Qualität sind, um mehr über das Erdbeben zu erfahren? und seine Eigenschaften?“ sagte Landrø.

Überwachung von Pipelines auf potenzielle Sabotage

Es stellt sich auch die Frage, ob bestehende Glasfasernetze zur Überwachung von Unterwasserpipelines genutzt werden könnten – was angesichts der Explosion Ende September, die die Pipelines Nord Stream 1 und 2 beschädigte, besonders wichtig ist.

„Können wir diese Glasfasertechnologie verwenden, um die Infrastruktur auf dem Meeresboden zu überwachen und zu schützen? Das ist eine wichtige Frage“, sagte er.

Die Herausforderung bei Pipelines besteht darin, dass sie Geräusche machen, wenn Gas durch das Rohr fließt.

„Mit dem Hintergrundrauschen müssen wir die natürliche Variabilität charakterisieren. Und wenn Sie dann etwas haben, das dieser Pipeline nahe kommt, was ist die Schwelle? Wann handeln Sie, was können Sie erkennen? Und wir wissen es nicht“, er sagte. „Der Plan ist also, spezielle Tests dazu durchzuführen.“

Schließlich könnte die Idee darin bestehen, Pipelines in Echtzeit zu überwachen, um sicherzustellen, dass sie sicher sind. Forscher verfügen bereits über einen Echtzeit-Stream akustischer Daten aus dem Glasfasernetz von Svalbard.