Asger Risom
Durch die Überwachung nanometergroßer Störungen und Polarisationsverschiebungen im Laserlicht, das durch kommerzielle Untersee-Glasfaserkabel reist, verwandeln Forscher globale Telekommunikationsleitungen in Echtzeit-Erdbeben- und Tsunami-Warnnetzwerke.
Etwa 70 Prozent des Planeten sind von Wasser bedeckt, doch fast jeder Seismograph, den wir besitzen, befindet sich an Land. Empfindliche Erdbebenmonitore auf dem abyssalen Meeresboden zu platzieren, ist ein technischer Albtraum: Der Tiefseedruck würde günstige Gehäuse zerquetschen, Salzwasser korrodiert die Elektronik, und das Bergen batteriebetriebener Instrumente erfordert das Chartern teurer Forschungsschiffe. Aufgrund dieser logistischen Hürden ereignet sich die überwiegende Mehrheit der tektonischen Aktivitäten unseres Planeten in einem riesigen sensorischen Blindfleck.
Zur selben Zeit, als Geologen mit diesem „ozeanischen Blackout“ zu kämpfen hatten, gaben Telekommunikationsunternehmen und Tech-Giganten Milliarden aus, um rund 1,3 Millionen Kilometer Glasfaserkabel entlang des Meeresbodens zu verlegen.
Nun haben Geophysiker herausgefunden, wie sie diese private Infrastruktur nutzen können. Indem sie mikroskopische Schwankungen in den Lichtimpulsen messen, die bereits den globalen Internetverkehr transportieren, verwandeln Wissenschaftler kommerzielle Unterseekabel in riesige, Echtzeit-Seismik-Erkennungsnetze, ohne einen einzigen Netflix-Stream zu unterbrechen.
Mikroskopische Lichtbrüche abhören
Der anfängliche Durchbruch basierte auf einer Technologie namens Distributed Acoustic Sensing (DAS).
Glasfaserkabel senden Daten, indem sie Laserimpulse durch Stränge aus ultrareinem Quarzglas leiten. Doch kein Glasstück ist physikalisch perfekt; jeder Herstellungsprozess hinterlässt mikroskopische Unregelmäßigkeiten im Kern. Wenn ein Laserimpuls die Leitung hinunterrast, trifft ein winziger Bruchteil dieses Lichts auf diese atomaren Unvollkommenheiten und prallt rückwärts zur Quelle. Physiker nennen dies Rayleigh-Rückstreuung.
Im Labor ist Rückstreuung nur Hintergrundrauschen, das herausgefiltert werden muss. Für einen Seismologen ist es eine akustische Goldmine. Wenn ein Erdbeben auftritt oder eine schwere Meeresdünung darüber hinwegzieht, dehnt und komprimiert der physikalische Druck das Unterseekabel um bloße Nanometer. Diese mikroskopische Dehnung verschiebt den genauen Zeitpunkt und die Phase des rückgestreuten Lichts.
Durch die Messung dieser nanoskaligen Verschiebungen am Uferterminal können Ingenieure einen Standard-Glasfaserstrang in eine kontinuierliche Kette von Tausenden virtueller Seismometer verwandeln, die alle paar Meter voneinander entfernt sind.
Fehler verfolgen, ohne einen einzigen Videoanruf zu unterbrechen
DAS ist bemerkenswert präzise, hat aber eine eingebaute Einschränkung: Die Laser-Rückstreuung wird nach etwa 96 Kilometern zu schwach, um gelesen zu werden, und die Hardware erfordert Zugang zu „dunklen“ (ungenutzten) Glasfasersträngen. Das macht es hervorragend für Küstenschelfe, aber nutzlos für die Überwachung transozeanischer Kabel, die Tausende von Kilometern über offene Becken verlaufen.
Um diese Lücke zu schließen, arbeiteten Geophysiker am Caltech mit Optikingenieuren bei Google zusammen, um eine andere physikalische Eigenschaft des Lichts zu testen: die Polarisation.
Laserlicht, das durch kommerzielle Glasfasern reist, ist polarisiert, was bedeutet, dass seine Lichtwellen in einer bestimmten Ausrichtung schwingen. Wenn der Laser Tausende von Kilometern durch Glas läuft, driftet dieser Polarisationswinkel in einem vorhersehbaren Muster. Erschütterungen durch ein Offshore-Erdbeben oder Druck durch einen rollenden Tsunami verdrehen das Kabel mechanisch, was zu plötzlichen Spitzen im Polarisationszustand des Lichts führt.
In einem wegweisenden Versuch, der in Science veröffentlicht wurde, überwachte das Team Googles 10.000 Kilometer langes Curie-Kabel, das entlang der Pazifikküste von Los Angeles nach Valparaíso, Chile, verläuft. Ohne ein einziges Hardwareteil auf dem Meeresboden hinzuzufügen oder die Standard-Datenübertragung des Kabels zu ändern, detektierte das System erfolgreich Dutzende regionaler Erdbeben entlang der Subduktionszone sowie die deutlichen Drucksignaturen von Meereswellen.
Wertvolle Sekunden für Tsunami-Warnungen gewinnen
Der praktische Nutzen dieses optischen Tricks ist die Frühwarnung. Die katastrophalsten Erdbeben und Tsunamis der Welt entstehen in Offshore-Subduktionszonen – Orten wie der Cascadia-Verwerfung vor dem pazifischen Nordwesten oder den Gräben entlang des Pazifischen Feuerrings.
Da traditionelle landgestützte Seismographen Dutzende oder Hunderte von Kilometern von diesen Offshore-Epizentren entfernt sind, dauert es wertvolle Sekunden, bis seismische Schockwellen die Küste erreichen und einen automatisierten Alarm auslösen. Indem wir Unterseekabel in Sensoren verwandeln, können wir den Bruch in dem Moment erfassen, in dem er auf dem Meeresboden beginnt.
Ein paar zusätzliche Sekunden mögen nicht viel klingen, aber in einem Frühwarnsystem machen sie den Unterschied aus, ob automatische Ventile Erdgasleitungen abschneiden, U-Bahnen zum Stillstand kommen und Küstenbewohner sich auf höher gelegenes Gelände begeben, bevor das Meer sich zurückzieht. Wir haben Jahrzehnte damit verbracht, den Meeresboden als Informations-Transitkorridor zu behandeln; jetzt warnen uns die Kabel, die wir zum Surfen im Internet verlegt haben, wenn sich der Planet unter ihnen bewegt.
