Glasfasernetze als Frühwarnsystem für Erdbeben und Tsunamis!

Bestehende Glasfasernetze könnten als Grundlage für Frühwarnsysteme für Erdbeben und Tsunamis genutzt werden. Erfahren Sie hier, wie!

Faseroptisches Frühwarnsystem
Wie wird das Glasfasernetz bei der Frühwarnung vor Erdbeben und Tsunamis helfen? Kredit: Compare Fibre/Unsplash.

Geophysiker der Universität ETH Zürich in der Schweiz und des Eidgenössischen Instituts für Metrologie (METAS) verwendeten das Rauschunterdrückungssystem für Glasfasernetze, um jede Welle eines Erdbebens der Stärke 3,9 zu verfolgen.

Daraus haben sie ein kostengünstiges Mittel zur Aufzeichnung präziser Messungen von Erdbeben am Meeresboden und in weniger entwickelten Ländern entwickelt, das als Frühwarnsystem für Erdbeben und Tsunamis eingesetzt werden könnte.

Geräuschunterdrückung

In vielen Ländern sind Netze von Erdbebenüberwachungsstationen Standard, nicht aber in weniger entwickelten Ländern, die nicht das Geld für die notwendige Anzahl von Sensoren haben, und auf dem Grund der Ozeane, wo komplexe Systeme erforderlich sind, um winzige Druckänderungen in großen Tiefen zuverlässig zu messen.

Die Methode nutzt bestehende Glasfasernetze, um präzise Erdbebenmessungen auf dem Meeresboden und in weniger entwickelten Ländern durchzuführen, ohne dass zusätzliche Geräte oder eine teure Infrastruktur benötigt werden.

Eine neue Methode nutzt bestehende Glasfasernetze, um präzise Erdbebenmessungen zu erhalten, ohne dass zusätzliche Geräte benötigt werden.

"Wir machen uns eine Funktion zunutze, die die bestehende Glasfaserinfrastruktur bereits erfüllt. Wir erhalten die Vibrationsdaten aus dem aktiven Rauschunterdrückungssystem, das die Funktion hat, die Genauigkeit der Signale in der optischen Datenkommunikation zu erhöhen", erklärt Geophysik-Professor Andreas Fichtner.

Das Verfahren basiert auf der Phasengeräuschunterdrückung (PNC), bei der Aufnahmen einer Kompensationsfrequenz genutzt werden, die normalerweise entfernt wird. Auf diese Weise unterdrücken die Geräuschunterdrückungssysteme moderner Kopfhörer die Umgebungsgeräusche für den Nutzer nahezu vollständig.

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Die Forscher verwendeten Simulationen von Wellenfeldern mit spektralen Elementen, die die komplexe Geometrie des Kabels berücksichtigen, um beobachtete und berechnete Aufzeichnungen der Ausgleichsfrequenz für ein Erdbeben der Stärke 3,9 im Südosten Frankreich und eine 123 km lange Glasfaserverbindung zwischen der Stadt Basel und der Atomuhr in Bern, Schweiz.

Das "Rauschen" entsteht, wenn die Lichtleitfasern durch die Verformung der Erdoberfläche, durch Erdbeben, Wellen, Luftdruckunterschiede und menschliche Aktivitäten gestört werden. Jede Verformung verkürzt oder verlängert die Faser geringfügig, wodurch die Lichtgeschwindigkeit in der Faser geringfügig schwankt, was die Frequenz des Lichtsignals um einen kleinen Faktor verändert.

Kleine Änderungen

Diese Technik wird bereits in speziellen Geräten zur Messung von Schwingungen verwendet, aber in diesem Fall sind solche zusätzlichen Messgeräte nicht erforderlich. Die Verformungen können an der Korrektur der Zeitsignale abgelesen werden, die die Wellenlänge des Signals korrigiert. Die Veränderungen sind gering, aber sie geben eine klare Vorstellung von den Schwingungen, denen die Glasfaserkabel ausgesetzt waren.

"Mit Hilfe des PNC der Glasfaserverbindung zwischen Basel und dem Atomuhrstandort am METAS in Bern konnten wir jede Welle eines Erdbebens der Stärke 3,9 im Elsass detailliert verfolgen", so Fichtner. "Noch besser ist aber, dass ein auf unseren Daten basierendes Modell des Erdbebens auch sehr genau mit den Messungen des Schweizerischen Erdbebendienstes übereinstimmte", fügt er hinzu.

Diese nahezu exakte Übereinstimmung zeigt, dass sich mit den PNC-Daten Ort, Tiefe und Stärke eines Erdbebens mit hoher Genauigkeit bestimmen lassen. "Dies ist besonders interessant für umfassende Tsunami-Warnungen oder für die Messung von Erdbeben in weniger entwickelten Regionen der Welt", so Fichtner abschließend.

Quellenhinweise:

NOE, S. et al. Longe-range fiber-optic earthquake sensing by active phase noise cancellation. Scientific Reports, v. 13, 13983, 2023.

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