Tiga menara hard drive yang rapi berdiri di meja Shan Dou. Diisi hanya dalam beberapa bulan, mereka berisi sekitar 500 terabyte data seismik. Ini adalah jumlah data yang luar biasa besar untuk dikumpulkan dan diproses — sedikit lebih banyak dari jumlah yang saat ini disimpan dalam repositori data seismik nasional, yang memiliki arsip sejak tahun 1970.
Dari mana semua informasi ini berasal? Jawabannya ada di bawah kaki Anda: serat optik.
Dou adalah seorang peneliti pascadoktoral di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley yang berupaya menempatkan ribuan mil kabel serat optik yang melintasi dunia untuk digunakan dalam kesadaran geohazard — memantau tanah longsor, kemunduran permafrost, lubang pembuangan, dan bahkan perubahan dalam karbon dioksida yang disuntikkan. Tetapi dalam sebuah studi baru, berdasarkan karya dasar Dou dan diterbitkan bulan lalu dalam jurnal Geophysical Research Letters, para peneliti mempelajari potensi dan fleksibilitas serat untuk mendeteksi satu bahaya tertentu: gempa bumi.
Untuk mendeteksi getaran kecil di tanah, peneliti biasanya menggunakan instrumen sensitif yang disebut seismometer. Tetapi masing-masing unit ini bisa mahal untuk dipasang dan sulit dirawat. Dan mereka tidak selalu layak untuk digunakan, jelas Nate Lindsey, seorang mahasiswa PhD di University of California, Seismological Lab Berkeley dan penulis utama pada studi baru. "Ada daerah di mana mungkin penting untuk menempatkan seismometer — saya berpikir lepas pantai, saya berpikir daerah perkotaan — di mana ... sulit dari sudut pandang logistik dan dari sudut pandang keamanan, " katanya.
Nate Lindsey memotong kabel di Richmond Field Station (Atas perkenan Jonathan Ajo-Franklin) Di situlah serat optik — dan kumpulan data — masuk. Ribuan garis serat optik melintasi negara kita, bahkan meluas ke lautan. Jadi, jika para peneliti dapat memanfaatkan sistem ini untuk pemantauan gempa bumi, ia menawarkan sejumlah informasi yang belum pernah terjadi sebelumnya, kata Dou, yang bekerja dengan Lindsey di UC Berkeley sambil menyelesaikan PhD-nya.
Idenya cukup sederhana. Banyak perusahaan serat optik memasang lebih banyak kabel serat optik daripada yang dibutuhkan, sehingga menghasilkan sistem yang disebut "serat gelap" - serat yang dibundel dalam saluran bawah tanah - yang dapat digunakan untuk tujuan alternatif, seperti penginderaan gempa. Tetapi masing-masing jalur serat optik ini tidak sempurna. Ketika Anda menyorotkan cahaya ke untaian serat optik individu, ketidaksempurnaan dalam struktur ini memantul kembali sebagian kecil dari cahaya. Para peneliti dapat membubuhkan apa yang dikenal sebagai interferometer laser di salah satu ujung garis untuk mengirim dan mengukur perubahan pada glimmer yang dikembalikan ini, melihat kompresi menit atau ekstensi kabel yang tajam karena getaran tanah.
"Setiap meter serat optik di jaringan kami bertindak seperti sensor dan biaya kurang dari satu dolar untuk menginstal, " Biondo Biondi, ahli geofisika di Stanford dan penulis makalah baru, mengatakan dalam siaran pers. "Anda tidak akan pernah dapat membuat jaringan menggunakan seismometer konvensional dengan cakupan, kepadatan, dan harga seperti itu."
"Itulah keindahannya, " Dou menjelaskan, "Kita tidak harus membuat sesuatu yang istimewa, beli saja sesuatu yang sudah tersedia secara luas untuk telekomunikasi."
Tetapi mencari tahu bagaimana cara menggunakan serat-serat itu untuk deteksi gempa membutuhkan sedikit usaha. Satu yang tidak diketahui besar adalah sensitivitas. Penggunaan serat optik ini untuk mengukur getaran di tanah muncul dari industri minyak dan gas, yang menggunakan saluran untuk memantau pipa dan sumur — dengan melakukan hal-hal seperti mendengarkan gemuruh kendaraan yang mendekat. Tetapi untuk tujuan ini, serat optik biasanya "digabungkan, " atau disemen di tanah, menghasilkan transfer yang lebih efisien dari gerutuan dan getar Bumi ke serat.
"Orang tidak percaya ini akan berhasil, " kata Eileen Martin, seorang mahasiswa pascasarjana di lab Biondi dan penulis lain di atas kertas. "Mereka selalu beranggapan bahwa serat optik yang tidak berpasangan akan menghasilkan terlalu banyak noise sinyal untuk menjadi berguna."
Para peneliti UC Berkeley telah bekerja menggunakan serat optik untuk memantau permukaan bawah tanah selama lima tahun, merekam suara ambien seperti mobil yang lewat dengan serat untuk mempelajari perubahan fitur penting, seperti tabel air. (Pada bulan September, tim menerbitkan karya ini bekerja sama dengan para ilmuwan di Laboratorium Penelitian & Teknik Wilayah Dingin Angkatan Darat AS di Alaska dan Stanford University dalam jurnal Scientific Reports . ) Untuk studi baru tentang potensi serat optik untuk pemantauan gempa, para ilmuwan membandingkan pengamatan gempa menggunakan tiga susunan serat optik yang berbeda, termasuk garis serat optik yang terkubur di dekat Fairbanks, Alaska, mengubur garis berbentuk L di Richmond, California, dan loop angka-8 dipasang di saluran telekomunikasi yang ada yang berjalan di bawah kampus Stanford.
Jonathan Ajo-Franklin (kiri) memasang array uji serat optik eksperimental di Richmond Field Station. (Atas perkenan Jonathan Ajo-Franklin) Tim telah mencatat berbagai acara di ketiga sistem. Dalam lingkaran Stanford saja, para peneliti telah membuat katalog lebih dari 800 tembus sejak pengumpulan data dimulai pada September 2016, memilih sinyal dalam data setelah peristiwa berlalu. "Kita bisa melihat mereka dari Meksiko, dari Italia, dari Oklahoma ... serta yang kecil di kampus Stanford, " kata Biondi.
Peta menunjukkan lokasi 3 mil, figur-8 loop serat optik yang dipasang di bawah kampus Stanford sebagai bagian dari observatorium seismik serat optik. (Desain Benang Sari dan Museum Victoria dan Albert) Secara keseluruhan hasilnya menggembirakan. Seperti yang dikatakan Biondi, "berpotensi semua bagian ada di sana, " tetapi lebih banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk menjalankan sistem.
Saat ini, Lindsey dan timnya sedang menguji kemampuan serat optik di 13-mil serat gelap di Sacramento, California, yang dimiliki oleh perusahaan Level 3 Communications, yang baru-baru ini dibeli oleh CenturyLink. Mereka membandingkan sinyal terukur mereka dengan seismometer tradisional.
"Perbandingannya bagus, " kata Lindsey. "Ada banyak penelitian yang harus dilakukan untuk memahami dan mengklarifikasi keuntungan dan kerugian dalam penginderaan serat optik. Tetapi ada sinyal dalam sensor serat optik yang berada di atas tingkat kebisingan, dan itu berguna." Mereka sedang mempersiapkan naskah tentang proyek ini untuk diserahkan untuk publikasi dalam jurnal peer-review bulan depan.
Sensitivitas masih menjadi perhatian untuk aplikasi yang luas dari penginderaan gempa serat optik. "Untuk saat ini, serat cenderung memiliki sensitivitas yang lebih rendah daripada seismometer konvensional, " kata Dou. Rekan-rekan lain, katanya, saat ini sedang menyelidiki cara-cara untuk meningkatkan kemampuan penginderaan serat optik. Ada juga banyak yang tidak diketahui tentang kondisi pemasangan jaringan telekomunikasi yang ada. Perubahan kecil, seperti jumlah kabel serat optik dalam saluran, dapat mempengaruhi deteksi dan dengan demikian kemampuan serat untuk menyampaikan informasi akurat tentang gempa bumi.
Yang sama pentingnya adalah kebutuhan untuk mengembangkan metode untuk memproses dan menganalisis data dalam jumlah besar secara real time. "Ini tempat bermain data yang bagus untuk bekerja, " kata Lindsey. "Tapi saya menantikan hari ketika tidak membawa siswa koper hard drive untuk memecahkan masalah semacam ini."
Untuk Clay Kirkendall, seorang peneliti di Angkatan Laut yang telah bekerja dengan sensor serat optik selama 20 tahun terakhir, biaya tetap menjadi perhatian dengan sistem baru. "Tentu saja serat sudah ada di sana dan itu adalah bagian besar dari biayanya, " kata Kirkendall, yang bukan bagian dari penelitian. Tetapi Anda masih membutuhkan perangkat untuk memantulkan cahaya ke garis dan mengukur sinyal yang kembali — dan berhemat pada aspek sistem ini dapat mengorbankan sensitivitas, katanya. Tidak jelas berapa banyak interogator laser berkualitas tinggi akan dikenakan biaya saat ini, tetapi Biondi berharap bahwa seiring kemajuan teknologi biaya sistem tersebut akan menurun.
Jika para peneliti dapat menemukan ketegaran itu, serat optik dapat menawarkan solusi untuk banyak tantangan pemantauan gempa bumi. Teknologi ini bisa sangat berguna dalam meningkatkan sistem yang memperingatkan masyarakat tentang gempa bumi di dekatnya untuk memberi mereka sedikit waktu tambahan untuk bersiap menghadapi sentakan. Dampak positif — dan kegagalan — jaringan semacam itu ditekankan awal tahun ini dalam serangkaian gempa di Meksiko.
Observatorium seismik serat optik berhasil mendeteksi gempa berkekuatan 8, 2 yang melanda Meksiko tengah pada 8 September 2017. (Siyuan Yuan) Sistem Peringatan Seismik Meksiko, atau SASMEX, adalah sistem peringatan dini pertama yang memberi tahu publik tentang gempa bumi yang tertunda. Sebuah jaringan seismometer, instrumen yang secara tradisional digunakan untuk memantau gempa bumi, bagian belang negara, memantau getaran. Segera setelah jaringan ini mendaftarkan sesuatu yang cukup besar untuk kekhawatiran potensial, peringatan keluar, yang dapat memberikan pemberitahuan mulai dari detik hingga satu menit penuh pada sentakan yang masuk.
Lindsey menekankan bahwa idenya bukan untuk menggantikan sistem yang ada— "yang terbaik [serat optik] mungkin tidak sebagus seismometer terbaik, " katanya - tetapi lebih untuk meningkatkannya. "Kami melihat seismologi serat optik sebagai cara yang bagus untuk melengkapi teknik peringatan dini gempa, yang sedang dibangun sekarang di seluruh planet ini, " katanya.
Meskipun masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk mewujudkan hal ini, tim peneliti dan banyak universitas terlibat dalam kasus ini. "Ini benar-benar upaya bersama yang lebih besar, " kata Dou, mencatat bahwa sebuah tim di CalTech sedang mengerjakan proyek serat gelap yang serupa.
"Ini adalah bidang yang berkembang pesat, dan kami hanya beruntung berada di posisi perintis, " katanya.
