|
2 T! t8 Y4 E9 W
这是一项让谷歌 CEO 桑达尔・皮查伊（Sundar Pichai）发推力挺的研究，也是首次大规模验证海底光缆可大规模用于地震检测的研究，更是有中科大校友参与的研究。
" F2 E6 @6 T, W3 j; ]
: x( V! ~6 j0 ^1 A$ r! F 图 | 谷歌 CEO 桑达尔・皮查伊于 2020 年发推特宣布该计划的开始 ( f; [7 Y* w3 i/ |. F3 g
该研究由加州理工学院助理教授詹中文，联合谷歌光纤通信专家合作完成。詹中文来自安徽省六安市，于 2006 年毕业于中国科学技术大学少年班。 , D1 w& k, p3 e& R1 M& k2 }
: G; j+ J+ P9 s$ D# w1 @6 q. k* q
图 | 詹中文（来源：受访者） ) E/ \$ h% a9 h4 x6 v6 ~
他告诉 DeepTech：“我们相信这是监测海底地震活动性的第一个能在全球范围内大规模实施的解决方案。” $ M# f' T5 m* W0 P, h9 q# l& f
研究中，他们开发一种使用现有海底电缆探测地震的新方法，可初步检测到几十次地震，或将改善全球各地的地震 & 海啸预警系统。
# i6 ^5 V9 w. ^9 r1 @- e 2 月 26 日，相关论文以《跨洋电缆上基于光偏振的地震和水波传感》“Optical polarization-based seismic and water wave sensing on transoceanic cables” 为题发表在 Science 上。 : c0 r0 e J1 ^9 E1 ^2 A. p
+ G' `8 a/ N+ q2 V c 图 | 相关论文（来源：Science）
7 Z0 F9 V* m; P+ p9 A- ^ 詹中文表示：“我们能将多数海底电缆转换成地球物理传感器，这些地球物理传感器长达数千公里，可以检测地震和可能发生的海啸。” 他还说：“对于现有地面地震仪和海啸监测浮标网络的功能，它可起到补充作用，从而在更多场景下去检测海底地震和海啸。”
* g- \8 Q! A, L6 T* W6 ^7 R 地球的 70% 被水覆盖着，使用海底电缆来检测地震，是科学家一直追求的办法。以美国为例，自 1980 年代开始，电信公司和政府在该国铺设了超过一百万公里的光缆 1 a* m J' d; W" b$ s
专门在海底安装水下地震仪，又贵又难。目前全球的水下地震台也并不多，此前相关人员已使用激光干涉测量法和分布式声学传感方法，但这些方法普遍依赖 “暗光纤”—— 即已铺设且尚未投入使用的光缆。
& G6 g1 J+ ?2 q1 f+ G5 [3 } 很明显，最理想的办法是使用海底已有设备来监测地震，这不仅无需花钱购买新设备如激光源等，也不影响光缆执行其他任务，工人布设工作量也会更轻省。
/ J I5 q( ~/ {0 |* R- m) b0 x
! \ W* g3 E" ] 图 | 基于极化的地球传感原理（来源：Science） ( U' ~' f9 D r
另外，受温度、雷击等因素，地面光缆数据会出现偏差。而深海温度几乎恒定，海底光缆较少受到扰动，因此得出的数据更准确。
2 P# ^7 H( k7 L/ n9 x) f1 s 与此同时，海底在遇到地震或海啸时，光缆会发生明显变化，进而产生的数据提醒，可让工作人员快速识别地震。
5 Q2 ]+ u2 o P+ p8 S6 u “一鱼两吃”：是光缆，也是 “海底地震仪” ; v/ }* w3 T+ t
研究中，詹中文和谷歌使用一条名叫居里（Curie）的海底光缆，该光缆此前由谷歌公司布设，从美国洛杉矶延伸到智利瓦尔帕莱索，全程长达一万多公里，其检测技术可达到光学偏振干涉仪的灵敏度水平。
7 p: p, B6 K4 |, }0 d8 M ) P( M' z9 ]6 C, o5 N' f; q
图 | 沿居里电缆沿线的地震探测（来源：Science） ]. P* H |9 S3 l+ [! w }
过程中，居里电缆可穿越南加州近海的多个断层，且三次穿过东太平洋隆起，最终达到太平洋科科斯板块，沿光缆段的平均水深为 4000m，穿过瓦尔帕莱索附近海沟时水深可达 6000m。 ' |! B. ~& \2 h F+ x$ H1 t7 G
自 1900 年以来，该路段曾发生 50 多次 7.5 级以上地震，期间有两大地震很是人瞩目 / t% z! K( d [: S+ T
一是 1960 年智利 9.5 级大地震，这也是有记录以来的最大级别地震，据不完全统计，地震造成约 2 千多人死亡，200 万人流离失所，不同来源估计经济损失在 4 -8 亿美元； $ h8 V. f' B* T* B; C& Y6 m
! ~# y$ u4 @" f0 N
图 | 智利经历地震之后的一条大街（来源：维基百科） + o2 Q6 q9 ?' |! u* L
二是 1985 年墨西哥城的 8.1 级地震，当时 30% 的市中心建筑物瞬间被毁，造成至少 7000 多人死亡。 " K6 U0 I" S0 v
; e0 o f9 V$ R* P
图 | 地震中倒塌的墨西哥综合医院（来源：维基百科）
- d5 B4 c2 T/ J/ M0 H( \ 詹中文的地震测试时间耗时 9 个月，在 10 毫赫兹至 5 赫兹波段的频段中，居里电缆检测出约 30 场海洋风暴骤升事件、以及约 20 场中大型地震，其中就有 2020 年 1 月 28 日发生在牙买加附近的 7.7 级地震。
. {/ W6 r% M6 x + z0 r. a4 F" e
图 | 牙买加 7.7 级地震产生的斯托克斯向量，X 轴是时间，Y 轴是频率，单位为赫兹，颜色代码显示光谱分量的强度。相比白色和粉红色，绿色表示更高的光谱密度，7.7 级震在 0.5 赫兹以下几乎看不到绿色或白色的尖峰（来源：谷歌）
a$ x5 h: i' \) z4 A3 O 使用本次新方法，居里电缆好比一个传感器，既能探测地震震动、又能探测海浪，一旦产生偏振，其每秒内可测量 20 次，如果附近发生地震，几秒内就可发出警报。
: b: o. h' F( r% N; Q 在光缆沿途一千公里以内，该方法可检测到绝大多数 5 级以上地震，由于 7 级以上的地震才会对人类生命、生产生活产生较大影响，因此在可给人类带来巨大影响的地震 & 海啸预测上，新方法的能力完全够用。
+ s, q: C/ w- i4 d; Q 具体技术原理是，在光缆的光偏振中，如果同时传播两束不同的光，由于两束光的偏振不同，因此它们互不干扰，并都能传输数据。
, _: e1 ]; O2 |* h3 g) i" v7 g 当发生地震时，光缆会被弯曲，这时光缆的光波方向会被改变，因此数据也会出现异常，此时在电缆另一端，工作人员就可注意到数据变动，从而发出预警提醒大家。
2 ]6 s0 W0 H" ?) |, c , E w$ l% I7 T" G8 B
图 | 沿居里电缆的地震测量（来源：Science）
: x3 d4 g/ E' M7 t( ]# K 与此同时，测量光偏振只用于提高通信效率，并不涉及数据本身，因此不存在数据安全问题，而其他地震检测办法，则没有这样的优势。
" T. j. `+ a+ g& W7 p 概括来说，该方法主要有几大优势：
( G7 y8 i1 c, K9 U- r 第一是能更快发出警报：当地震发生在离岸数十英里处时，地震波到达陆地地震仪一般耗时几十秒，预警海啸则耗时更久，这非常不利于逃生。而新方法使用光纤通信信号，不仅能实时传输数据，速度也更快，所以数据无需额外从海底传输到数据中心，而这也是传统方法无法做到的。并且，电缆可在离地震更近的位置充当单个传感器，每秒最多可测量 20 次。这意味着，如果地震发生在特定区域附近，有望在几秒钟内发出警告。 8 b { x3 k8 _* v" m
第二是成本低：此前，全世界范围内的海啸预警，由约 60 个深海评估和海啸报告浮标组成的稀疏网络来实现，这些浮标大多沿着俯冲带分布，安装成本和维护成本较高。而新方法使用已布设的通信光缆，无需增加仪器、更无需占用通信带宽，故此成本更低。 + J6 E* O% C5 o& h* p
第三是数据覆盖范围更广：海底光缆测量的是光纤全程的偏振变化，而非此前的分布式测量。这些数据不仅全面，“体积” 也不大，9 个月的数据量不到 1G，管理起来也很容易。此外，由于该技术不需要额外设备，因此不存在数据伪造、或设备被盗的风险。
" a) X4 Q- n( D) b' } 第四是联动性高：当前的海啸预警系统 DART（深海海啸评估和报告，Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis），已经可以迅速预测海啸起始时间和发生地点，再结合本次方法，可让海啸预报更完善。
+ z8 Y5 l, @/ I 第五是安全性高：詹中文表示，工作人员在研究光偏振时，并不会看到所传输的信息。而且，该研究的原始数据已经公开，任何人都能下载和学习，因此并不存在数据安全问题。
5 w% }) r1 }4 h+ M. _3 K 他概括称：“该方法的提出填补了海洋地球物理观测的空缺，有望未来建立经济、高效的全球海底地球物理监测网。” % V) l# P# P% V* t5 a5 F# z0 j
谷歌也表示：“（这）并非替代专用的地震传感器，而是作为补充信息的来源，以实现地震和海啸的预警。” 6 ~1 T) L( [; s( }
和谷歌合作：始于一次“借光缆”
* i" v4 E% ` A% a 和谷歌的合作，始于詹中文找谷歌“借东西”。一开始他问谷歌借光缆，一来二去双方越来越熟悉，索性就本次研究开始了合作。 " E# c" z$ x8 y& ^; U) J ?8 N/ a- o* X
尽管在本次研究中，居里光缆没有发现海啸，但它已可检测到南太平洋海浪产生的偏振变化。该团队认为，这是因为巨浪经过电缆时，所引起的海底压力变化导致了上述偏振变化。对此，詹中文说：“这意味着光缆可检测到海浪，因此有可能在未来检测到海啸波。”
3 ?9 E: ?1 n; X+ l' w- `) C0 x" Y
( W- M" w6 Y# C# k9 u. C 图 | 图为詹中文根据谷歌数据构建的图像，其显示了 2020 年 3 月 25 日 至 4 月 13 日的相关海浪，X 轴是 0 到 0.16Hz 的频率，Y 轴是时间，黄色的斜拉丝线是海浪（来源：谷歌） 7 k/ ]/ m, F3 j2 u4 l
在光纤的布设上，詹中文告诉 DeepTech，谷歌有专门的通信部门负责。未来，他将和谷歌做全球光纤合作，届时可预警所有地震。此外，海啸通常由地震引起，海啸发生时，将来居里光缆也有望发出预警，从而让岸边行人及时撤离。
1 h' P! d6 o$ Q1 ]7 a , ?. M8 F1 p5 b1 b% ^1 k
图 | 海洋膨胀过程中的极化检测（来源：Science）
9 V; L! v- {" ~8 B/ S) _7 P 事实上，谷歌这类互联网企业做地震预测并不意外，在过去十年，谷歌已投资十条以上的光纤。 9 s& p3 P1 b% w" o
这类大厂每年产生的数据量呈爆炸性增长，并且他们在全球各地都有数据中心，以至于需要自己亲自做通信，为的是方便连接全球各地的数据中心。
. ~& K7 Q0 s, q2 L5 k: i 目前，詹中文正和谷歌开发一种机器学习算法，该算法可检测出偏振变化的来源。据了解，地震、海啸以及轮船移动，都可引起光缆的偏振变化，因此只有更精准地判断变化来源，才能实现更到位的预警。
2 _6 o% T) s8 l. f# Y6 p' c4 w7 G. ?( G N5 w. [1 i
3 o+ p" ~ y( W: f
+ z6 x7 d3 \0 a: J2 ~
+ Q* [4 t/ \. X& ]. ?$ i; Z+ Q9 W
| 
