Les plus de 1,2 million de kilomètres de câbles à fibres optiques qui sillonnent la planète transportent les appels téléphoniques, les signaux Internet et les données du monde entier. Mais cet été, des chercheurs ont publié les sons étranges de rorquals bleus et communs détectés par un câble à fibre optique sur la côte ouest du Svalbard, une première.
Maintenant, les chercheurs veulent écouter une bête encore plus grande : la Terre elle-même.
La combinaison du réseau mondial de fibres optiques avec les systèmes de télédétection existants, comme les satellites, pourrait créer un réseau mondial de surveillance en temps réel à faible coût, a déclaré Martin Landrø, professeur au département d’électronique de l’Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU). Systems et responsable du Centre de prévision géophysique.
« Cela pourrait être un observatoire mondial révolutionnaire pour les sciences de l’océan et de la Terre », a-t-il déclaré. Landrø était l’auteur principal d’un article sur le fonctionnement d’un tel système, publié dans Rapports scientifiques.
De minuscules changements dans une fibre du diamètre d’un cheveu
Les câbles à fibre optique ne sont pas nouveaux. Ils contiennent probablement les informations que votre ordinateur décode afin que vous puissiez lire cet article.
Ce qui a changé, cependant, ce sont les outils qui peuvent être utilisés pour extraire des informations de ces réseaux. L’outil en question porte le nom plutôt alarmant d’interrogateur.
L’interrogateur peut être relié à un réseau de câbles à fibres optiques pour envoyer une impulsion de lumière à travers le câble. Chaque fois qu’une onde sonore ou une onde réelle frappe le câble sous-marin, la fibre fléchit, juste un peu.
Des chercheurs de l’Université norvégienne des sciences et technologies disposent désormais d’un flux de données en temps réel provenant d’un câble à fibre optique entre Longyearbyen et Ny-Ålesund à Svalbard. Cette courte vidéo montre un rorqual commun qui croise par le câble. L' »image » jaune qui apparaît puis disparaît en bas de la vidéo vers le milieu est en fait un enregistrement de la fréquence de vocalisation de la baleine, à 20 Hz. Il s’agit d’une fréquence typique des vocalisations des rorquals communs, c’est ainsi que les chercheurs peuvent l’identifier. Crédit : Centre de prévisions géophysiques de NTNU
« Et nous pouvons mesurer l’étirement relatif de la fibre de manière extrêmement précise », a déclaré Landrø. « Cette technologie existe depuis longtemps. Mais elle a fait un énorme pas en avant au cours des cinq dernières années. Nous sommes donc maintenant en mesure de l’utiliser pour surveiller et mesurer des signaux acoustiques sur des distances allant jusqu’à 100 à 200 kilomètres. . Alors c’est la nouveauté. »
L’équipe de Landrø, comprenant des chercheurs de Sikt, l’Agence norvégienne pour les services partagés dans l’éducation et la recherche, et Alcatel Submarine Networks Norway, AS, qui a fourni les interrogateurs, a utilisé un câble à fibre optique de 120 km de long entre Longyearbyen, la plus grande colonie de Svalbard, et Ny-Ålesund, un avant-poste de recherche sur la côte sud-ouest de la plus grande île de l’archipel. Ils ont surveillé le câble pendant 44 jours en 2020 et ont recensé plus de 800 vocalisations de baleines.
« Le câble à fibre optique entre Longyearbyen et Ny-Ålesund, qui a été mis en production en 2015 après 5 ans de planification et de travaux préparatoires, et principalement financé par notre ministère, était destiné à desservir la communauté des chercheurs et la station géodésique de Ny Ålesund avec une haute et capacité de communication résiliente », a déclaré Olaf Schjelderup, responsable du réseau national de R&E de Sikt, dans un article précédent sur le projet de surveillance. Schjelderup était également co-auteur du nouveau document.
« L’expérience de détection et d’observation des baleines DAS montre une utilisation complètement nouvelle de ce type d’infrastructure à fibre optique, résultant en une science excellente et unique », a-t-il déclaré.
La technologie est bonne, mais la portée continue d’être une limitation. L’espoir est que cela s’améliorera à mesure que la technologie s’améliorera, a déclaré Landrø.
« Bien que les interrogateurs actuels ne soient pas encore capables de détecter au-delà des répéteurs généralement utilisés dans les longs câbles à fibres optiques, la technologie se développe très rapidement et nous espérons pouvoir bientôt surmonter ces limitations », a déclaré Landrø.
Des navires, des tremblements de terre et un étrange motif de vagues
Lors du processus de détection des appels de baleines, les chercheurs ont également pu détecter des navires passant au-dessus ou à proximité du câble, une série de tremblements de terre et un étrange schéma de vagues dont ils ont finalement réalisé qu’il était dû à des tempêtes lointaines.
Les mesures étaient suffisamment précises pour qu’ils puissent corréler leurs mesures avec chaque événement exact qui s’était produit, y compris un grand tremblement de terre en Alaska, a déclaré Landrø.
« Nous avons vu beaucoup de trafic maritime, bien sûr, et beaucoup de tremblements de terre, dont le plus important provenait de l’Alaska », a-t-il déclaré. « C’était un gros problème – nous l’avons vu sur chaque canal (dans le câble) sur les 120 km. Et nous avons également vu que nous pouvions détecter des orages lointains. »
Un exemple de la façon dont le système a pu détecter les navires concernait le Norbjørn, un cargo général qui a été détecté traversant le câble à fibre optique à environ 86,5 km de Longyearbyen. Les chercheurs ont pu estimer la vitesse du navire à partir de sa trajectoire sur le câble, puis la vérifier avec la trajectoire du système d’identification automatique (AIS) du navire.
Une publication clé de 1963
Les chercheurs ont d’abord été intrigués par la douzaine de séries de vagues qu’ils ont détectées au cours de la période de surveillance. Chaque événement de vague a duré entre 50 et 100 heures, où la fréquence des vagues a augmenté de façon monotone pendant l’événement. Mais finalement, ils ont réalisé que les signaux mystérieux étaient les houles envoyées par des tempêtes lointaines.
« Ce sont les vagues physiques de l’océan qui se déplacent à la surface de la mer », a déclaré Landrø.
Les ondes de fréquence la plus basse voyagent le plus rapidement, suivies des ondes de fréquence plus élevée qui arrivent jusqu’à 6 jours plus tard. C’est un modèle qui a été reconnu en 1963, lorsque l’océanographe Walter Munk publié un article décrivant comment les scientifiques pouvaient déterminer d’où venaient les vagues générées par les tempêtes, en mesurant la pente du tracé fréquence-temps des vagues et en effectuant quelques calculs.
À l’aide de ces calculs, l’équipe de Landrø a identifié la tempête tropicale Eduardo, qui se trouvait à 4100 km de Svalbard dans le golfe du Mexique. Ils ont également identifié une grosse tempête au large du Brésil, à 13 000 km du câble du Svalbard.
Plus d’informations sur les tremblements de terre
Les géologues disposent déjà d’un réseau de capteurs qui les aident à surveiller et à mesurer les tremblements de terre, appelés sismomètres. Ces instruments sont sensibles et fournissent de nombreuses informations détaillées, a déclaré Landrø.
Cependant, les sismomètres sont chers et ils ne sont pas aussi largement distribués que le réseau mondial de câbles à fibres optiques.
Le seul inconvénient du réseau à fibre optique est qu’il a un rapport signal sur bruit plus faible. Cela signifie qu’il y a beaucoup de bruit de fond et que le signal du tremblement de terre n’est pas aussi clair ou fort par rapport au bruit de fond.
Mais l’avantage du réseau fibre est qu’il est répandu, et déjà en place, ce qui signifie qu’il pourrait fournir des informations supplémentaires aux sismomètres existants. L’idée ne serait pas de remplacer le système existant, mais de le compléter.
« La question est alors de savoir que pouvons-nous apprendre d’une méthode qui a un rapport signal sur bruit plus faible, mais une meilleure couverture spatiale ? Comment pourrions-nous utiliser ces informations supplémentaires, même si elles sont de moindre qualité, pour en savoir plus sur le tremblement de terre ? et ses propriétés ? » dit Landrø.
Surveillance des pipelines pour un éventuel sabotage
Il y a aussi la question de savoir si les réseaux de fibre optique existants pourraient être utilisés pour surveiller les pipelines sous-marins, ce qui est particulièrement important compte tenu de l’explosion de fin septembre qui a endommagé les pipelines Nord Stream 1 et 2.
« Pouvons-nous utiliser cette technologie de fibre optique pour surveiller et protéger les infrastructures au fond de la mer ? C’est une question importante », a-t-il déclaré.
Le défi avec les pipelines est qu’ils font du bruit, car le gaz circule dans le tuyau.
« Avec le bruit de fond, nous devons caractériser la variabilité naturelle. Et puis si vous avez quelque chose qui s’approche de ce pipeline, quel est le seuil ? Quand agissez-vous, que pouvez-vous détecter ? Et nous ne savons pas », a-t-il ajouté. m’a dit. « Le plan est donc de mener des tests dédiés à ce sujet. »
À terme, l’idée pourrait être d’avoir une surveillance en temps réel des pipelines pour s’assurer qu’ils sont sécuritaires. Déjà, les chercheurs disposent d’un flux de données acoustiques en temps réel provenant du réseau de fibres du Svalbard.
Plus d’information:
Martin Landrø et al, Détection des baleines, des tempêtes, des navires et des tremblements de terre à l’aide d’un câble à fibre optique arctique, Rapports scientifiques (2022). DOI : 10.1038/s41598-022-23606-x