如何利用光纤电缆传播的信号进行深海监测

信号极化的微小扰动可以暗示水下地震事件。

由于巨大的压力和未知的黑暗，我们对海底有很多不了解。但那里发生的事情仍然会产生巨大影响。例如，深海地震会导致毁灭性的海啸。如果，可以时刻密切留意到海底的状况就好啦。

幸运的是，尽管环境偏远且严酷，但我们已经有大量潜在的视线在海底。大约有400 条光纤电缆跨越海洋。这些电缆已经是全球互联网的主干，试想一下，如果它们也能成为深海监测和研究工作的主干呢？

这正是加州理工大学、谷歌和意大利拉奎拉大学的一组研究人员一直在研究的。在Optica上发表的一篇论文中，该研究小组概述了一种利用光纤传输信号的偏振扰动来探测海底地震和海浪（如海啸）的技术。

拉奎拉大学的物理学教授Antonio Mecozzi和该论文的合著者之一说：“大部分电缆在海洋下四公里，你无法下去看到下面到底发生了什么。”研究人员使用谷歌的Curie电缆，连接洛杉矶和智利瓦尔帕莱索。

研究人员发现的第一件事是Curie电缆的极化扰动基线水平非常稳定。换句话说，当光信号沿着电缆长度传输时，这些信号的偏振不会因电缆本身而发生太大变化。“事实上，传输系统是如此稳定，这就是为什么我们可以用它来测量（其他振动）的原因，”Mecozzi说，“只有地震的强烈扰动才能以我们可以测量的方式影响极化。”

研究人员发现，通过从Curie电缆末端的接收器获取现成的数据，他们可以找出与基线水平的偏差，这些偏差暗示着地震或强大的水下波。

这项技术还需要一些发展，以使其更加敏感。事实上，Mecozzi说，如果电缆没有一个稳定的基线，该组织可能就无法发现地震造成的任何进一步的极化变化。

在如何探测不同类型的地震方面，还有一些需要改进的地方。研究人员意识到地震有时不会留下明显的扰动。奇怪的是，接收数据中是否出现地震与地震的震级无关。研究人员不确定为什么有些地震出现，有些没有，但他们有理论。

“地震在地球上发生了一个复杂的破裂过程，而且地震会辐射各种波，”Jorge Castellanos表示，他是加州理工学院地球物理学的研究生，也是这篇论文的另一位合著者。并且，Castellanos认为：“它们不只是辐射一种类型的波。是否通过极化扰动记录了地震，可能取决于到达电缆的地震波类型和方向。”

目前也不可能用这种方法来定位电缆沿线的地震。对于一个简短的地区性电缆来说，这可能不是一个大问题，但Curie电缆的长度超过10000公里。当然，知道地震发生在电缆附近的某个地方并不是很有用的信息。

然而，研究人员知道，他们目前对探测技术的了解有限，因为他们只在一根电缆上进行了测试。他们希望，对其他电缆数据的类似分析能让他们更好地了解他们的发现有多普遍，或者可以证实Curie电缆是否是一个幸运的异常现象。

最终，使用多根电缆可以帮助解决仅使用一根电缆时出现的定位问题。通过分析穿过同一海底同一区域的多条电缆的数据，并查看哪些电缆受到扰动的影响，监测系统可以更好地了解地震发生的位置。

Castellanos说，这项技术不必局限于探测海底地震或可能发展成危险海啸的水下波。同样，以任何能力监测海底确实很困难。随着微扰技术的进一步完善，他推测，可以根据深海波浪对电缆偏振随时间变化的影响差异，监测深海温度等情况。

这可能有助于研究气候变化如何影响或受到深海系统的影响。随着时间的推移，从电缆信号极化的微小变化中获得的信息可能会使我们对深海的理解发生巨大变化。

编辑：jq