Fibra

Los cables de fibra óptica constituyen el vasto sistema nervioso subterráneo que satisface nuestra creciente demanda de servicios de comunicación e Internet de alta velocidad. Sin embargo, las señales en los cables pueden sufrir ocasionalmente vibraciones debido a automóviles que pasan por encima, construcciones cercanas o incluso terremotos. Los investigadores han propuesto anteriormente aprovechar esas perturbaciones para convertir los miles de kilómetros de cable subterráneo en conjuntos sísmicos sensibles.

En un nuevo estudio, investigadores del Instituto de Tecnología de California muestran que los cables de fibra óptica no sólo detectan terremotos, sino que también pueden medir matices y complejidades de los eventos sísmicos. En un caso, utilizando un tramo de cable de 100 kilómetros, los investigadores pudieron determinar la hora y la ubicación de cuatro miniterremotos más pequeños que formaron un terremoto de magnitud 6.

"Este trabajo no es sólo detección, va más allá de la detección", afirma Jiaxuan Li, investigador postdoctoral en geofísica en Caltech y coautor del artículo publicado el 2 de agosto en Nature. "Estamos imaginando los detalles del proceso de ruptura de un terremoto".

"Podríamos transformar esas redes [de fibra] muy densas en conjuntos sísmicos que podamos utilizar para alerta temprana".—Jiaxuan Li, Caltech

Al aprovechar más cables y obtener aún más datos, los sismólogos podrían comprender mejor los terremotos. Y aunque es poco probable que una serie de cables de fibra óptica prediga los terremotos antes de que ocurran, los investigadores podrían utilizar la técnica para ayudar a desarrollar mejores sistemas de alerta temprana que salven vidas, afirma Li.

California suele sufrir dos o tres terremotos cada año que son lo suficientemente graves, es decir, de magnitud 5,5. o superior, para causar daños moderados a las estructuras. Hay más de 700 sismómetros en todo el estado. Cada uno cuesta hasta 50.000 dólares estadounidenses y el mantenimiento de la red de detectores es caro.

Tener un sensor lo más cerca posible de la fuente de un terremoto es importante para la detección temprana. Esto no es posible con sismómetros caros, afirma Li. Los cables de fibra óptica, por otro lado, ya están tendidos en el suelo, entrecruzándose por todas partes, proporcionando una red densa y de bajo costo de sensores sísmicos. “Tenemos una red de fibra óptica muy extensa en las ciudades y entre ciudades”, afirma. "Podríamos transformar esas redes muy densas en conjuntos sísmicos que podamos utilizar para alerta temprana".

Li y sus colegas utilizaron una técnica llamada detección acústica distribuida (DAS), que, si bien es nueva en el mundo de la sismología, ya se utiliza para monitorear tuberías y cables eléctricos en busca de defectos. El método consiste en enviar pulsos de luz láser a través de fibras ópticas y medir la intensidad de las señales reflejadas por las imperfecciones de la fibra. Un ligero estiramiento o contracción de la fibra (por ejemplo, debido a un terremoto) puede cambiar las señales reflejadas.

Según el tiempo de retorno del pulso, puede determinar cuándo y dónde se produjo la perturbación a lo largo del cable. Debido a que la luz se refleja en miles de puntos de imperfección a lo largo de las fibras, un tramo de cable de kilómetros de longitud puede actuar como miles de sismómetros. Esto significa una cantidad significativamente mayor de datos sísmicos, lo que lleva a una mayor resolución, lo que permite identificar la ubicación de actividad sísmica más pequeña.

Los investigadores de Caltech han convertido cables ópticos preexistentes en una matriz DAS. Las empresas de telecomunicaciones suelen colocar más fibra de la que necesitan, y el equipo de investigación aprovecha parte de esta fibra "oscura" no utilizada. Con el permiso de la Cooperativa de Banda Ancha de California, el equipo instaló un transceptor DAS en un extremo de un cable de fibra óptica a lo largo de la frontera entre California y Nevada.

En su estudio, los investigadores analizaron señales de luz de dos secciones de 50 kilómetros de cable de fibra óptica que registraron el terremoto de magnitud 6 de Antelope Valley en 2021. Los tramos de cable de fibra estaban ubicados al norte y al sur del pueblo de Old Mammoth. En total, los 100 kilómetros de cable proporcionaron datos equivalentes a los de 10.000 sismómetros.

Utilizando datos de alta resolución, los investigadores descubrieron que el terremoto se formó a partir de una secuencia de cuatro rupturas más pequeñas, llamadas "subeventos", que no podían ser detectadas por una red sísmica convencional. Al crear un modelo informático del terremoto basado en los datos, los investigadores pudieron detallar la hora y la ubicación precisas de estos subeventos.

La fibra utilizada en el estudio estaba a 100 kilómetros de distancia del centro del terremoto, dice Li. "La resolución de nuestra imagen se puede aumentar mucho si se colocan fibras en otras direcciones, también en el lado este y oeste del terremoto".

Procesar y almacenar las grandes cantidades de datos producidos por un denso conjunto sísmico de fibra óptica sería un desafío técnico difícil, afirma. Pero el “primer y más difícil” desafío sería conseguir acceso a fibras para crear una matriz DAS expansiva, para lo cual tendrían que negociar con las empresas de telecomunicaciones. "No es un proceso fácil, pero espero que, a partir de este trabajo, las empresas de telecomunicaciones puedan ver las ventajas de la colaboración".