现有的光纤电缆网络可用于建立低成本的实时海洋

超过120万公里的光纤电缆在地球上纵横交错，承载着全世界的电话、互联网信号和数据。但今年夏天，研究人员首次公布了在斯瓦尔巴特群岛西海岸通过光纤电缆探测到的蓝鲸和长须鲸的怪异声音。

现在，研究人员想要窃听一个更大的野兽——地球本身。

挪威科技大学(NTNU)电子系教授MartinLandrø表示，将全球光纤网络与卫星等现有遥感系统相结合，可以创建一个低成本的全球实时监测网络地球物理预报系统和中心负责人。

“这可能是一个改变游戏规则的海洋地球科学全球观测站，”他说。Landrø是一篇关于此类系统如何工作的文章的主要作者，该文章发表在ScientificReports上。

一根头发直径的微小变化

光纤电缆并不是什么新鲜事物。它们可能携带着您的计算机正在解码的信息，因此您可以阅读本文。

然而，发生变化的是可用于从这些网络中提取信息的工具。所讨论的工具有一个相当令人震惊的询问器名称。

询问器可以连接到光纤电缆网络，通过电缆发送光脉冲。任何时候声波或实际波浪撞击水下电缆时，光纤都会弯曲一点。

“而且我们可以非常精确地测量纤维的相对拉伸，”Landrø说。“这项技术已经存在很长时间了。但它在过去五年中取得了巨大进步。所以现在我们能够使用它来监测和测量距离达100至200公里的声学信号.所以这是新事物。

Landrø的团队——包括来自挪威教育和研究共享服务机构锡克特的研究人员，以及提供审讯器的挪威阿尔卡特海底网络公司，在斯瓦尔巴特群岛最大的定居点朗伊尔城之间使用了一条120公里长的光纤电缆，新奥勒松(Ny-Ålesund)，这是该群岛最大岛屿西南海岸的一个研究前哨基地。他们在2020年对电缆进行了44天的监测，统计了800多条鲸鱼的叫声。

“朗伊尔城和新奥勒松之间的光缆，经过5年的规划和前期工作，主要由我部资助，于2015年投入生产，旨在为新奥勒松的研究界和大地测量站提供高和高的服务。弹性通信能力，”Sikt国家R&E网络负责人OlafSchjelderup在早些时候关于监测项目的文章中说。Schjelderup也是这篇新论文的合著者。

“DAS传感和鲸鱼观察实验展示了这种光纤基础设施的全新用途，从而产生了卓越、独特的科学，”他说。

技术很好，但范围仍然是一个限制。Landrø说，希望随着技术的进步，它会变得更好。

Landrø说：“虽然目前的询问器还不能超越通常用于长光纤电缆的中继器，但该技术发展非常迅速，我们希望能够很快克服这些限制。”

船舶、地震和奇怪的波浪模式

在检测鲸鱼叫声的过程中，研究人员还能够检测到船只经过或靠近电缆、一系列地震以及一种奇怪的波浪模式，他们最终意识到这是由于远处的风暴造成的。

Landrø说，测量结果非常精确，以至于他们可以将测量结果与发生的每个确切事件相关联，包括阿拉斯加的大地震。

“当然，我们看到了很多船舶交通，还有很多地震，其中最大的地震来自阿拉斯加，”他说。“那是一场大风暴——我们在120公里的每个频道(电缆中)都看到了它。我们还看到我们可以探测到远处的风暴。”

该系统如何能够检测到船舶的一个例子涉及Norbjørn，这是一艘杂货船，被发现穿过距离朗伊尔城约86.5公里的光纤电缆。研究人员能够根据船舶在电缆上的航迹来估计船舶的速度，然后可以使用船舶的自动识别系统(AIS)航迹对其进行验证。

1963年的重要出版物

研究人员最初对他们在监测期间检测到的十几个波系列感到困惑。每个波浪事件持续50-100小时，波浪频率在事件期间单调增加。但最终他们意识到神秘信号是远处风暴发出的巨浪。

“这些是在海面上移动的物理海浪，”Landrø说。

频率最低的波浪传播速度最快，其次是频率最高的波浪，最多可在6天后到达。这种模式在1963年得到认可，当时海洋学家沃尔特·蒙克(WalterMunk)发表了一篇论文，描述了科学家如何通过测量波浪频率-时间图的斜率并进行一些计算来弄清楚风暴产生的波浪来自何处.

通过这些计算，Landrø的团队确定了热带风暴爱德华多，该风暴距离墨西哥湾的斯瓦尔巴特群岛4100公里。他们还确定了巴西附近的一场大风暴，距离斯瓦尔巴群岛海缆13,000公里。

地质学家已经拥有一个传感器网络，可以帮助他们监测和测量地震，称为地震仪。Landrø说，这些仪器很灵敏，可以提供大量详细信息。

然而，地震仪价格昂贵，而且它们的分布远不如世界上的光纤电缆网络。

光纤网络的一个缺点是它的信噪比较低。这意味着有很多背景噪音，而来自地震的信号与背景噪音相比并不那么清晰或强烈。

但光纤网络的优势在于它分布广泛，而且已经到位，这意味着它可以为现有的地震仪提供额外的信息。这个想法不是要取代现有系统，而是要对其进行补充。

“接下来的问题是，我们可以从一种信噪比较低但空间覆盖范围更好的方法中学到什么?我们如何利用这些额外信息，即使它的质量较低，来了解更多关于地震的信息及其属性?”兰德罗说。

监控管道是否存在潜在破坏

还有一个问题是现有的光纤网络是否可以用于监测海底管道——鉴于9月下旬的爆炸损坏了NordStream1和2管道，这一点尤为重要。

“我们能否使用这种光纤技术来监控和保护海底基础设施?这是一个重要的问题，”他说。

管道的挑战在于，当气体流过管道时，它们会产生噪音。

“有了背景噪音，我们必须描述自然变化的特征。然后，如果你有什么东西靠近那条管道，阈值是多少?你什么时候采取行动，你能检测到什么?我们不知道，”他说。“所以计划是对此进行专门的测试。”

最终，这个想法可能是对管道进行实时监控以确保它们是安全的。研究人员已经从斯瓦尔巴光纤网络获得了实时声学数据流。