Від “драконів” до інтернет-кабелів: як людство дізнавалося про землетруси

6 лютого 2023 року через землетрус у Туреччині та Сирії загинули 60 тисяч людей, півтора мільйона втратили власне житло, а загалом постраждали 14 мільйонів.

Наразі не існує технологій, які дозволяють запобігати землетрусам, тому найкращим способом зберегти життя людей та мінімізувати збитки залишається швидке інформування. Для цього вчені дві тисячі років використовують сейсмографи — прилади фіксації коливань земної поверхні.

Яким був перший сейсмограф, і як сповіщення пройшли шлях від глечика з драконами до підземних та підводних інтернет-кабелів — у матеріалі команди телеком-оператора GigaTrans.

Перший у світі сейсмограф

Перший сейсмограф винайшов китаєць Чжан Хен у далекому 132 році.

Сейсмограф нагадував велику статую у формі глечика з вісьмома маленькими драконами. У кожного дракона в роті була куля. Під час землетрусу, паща найближчого дракона відкривалася, а м’яч падав в пащу жаби, що знаходилася нижче. Це показувало, з якого напрямку був землетрус. Сейсмограф визначав напрям поштовхів на відстані до 500 кілометрів.

Китайський сейсмограф (132 рік до нашої ери)

За сучасною класифікацією цей пристрій був сейсмоскопом, адже він фіксував лише напрям епіцентру землетрусу, а не час земних поштовхів. Але саме з глечика з драконами починається історія сейсмографів.

Ртутні сейсмографи

Через багато століть розробили сейсмографи на основі води, а пізніше й ртуті.

Італієць Луїджі Пальмієрі розробив ртутний сейсмограф у 1855 році. Він мав U-подібні трубки, наповнені ртуттю, що розташовувалися уздовж точок компаса. Рух від землетрусів витісняв ртуть та встановлював електричний контакт. Це зупиняло годинник та запускало записуючий пристрій, який вимірював рухи поплавця на поверхні рідини. Саме так фіксувалися коливання від землетрусу.

Це був перший прилад, який фіксував не тільки час землетрусу, а також інтенсивність і тривалість рухів.

Ртутний сейсмограф Луїджі Пальмієрі (1855 рік)

Сучасні сейсмографи

Джон Мілн — англійський геолог, що винайшов сучасний горизонтальний маятниковий сейсмограф у 1880 році в Японії.

В основі приладу розміщувався маятник. Коли земля коливалася, основа та рама рухалися разом із вібрацією, але інерція утримувала серцевину маятника на місці. Він рухався лише відносно ґрунту, що коливається. Зміщення маятника фіксувало зміни землі, а відображення такого запису на папері й було сейсмограмою.

Горизонтальний маятниковий сейсмограф Джона Мілна

Проте вони були здатні фіксувати землетрус лише на рівній поверхні та мали певні погрішності через невраховану силу тертя.

Тому після Другої світової війни маятниковий сейсмограф вдосконалили. Він отримав назву сейсмограф Пресса-Юінга. В основі також використовується маятник Мілна, але стрижень, що підтримує маятник, замінили пружним дротом, що дозволило уникнути тертя.

Саме така схема закладена в роботу сучасних сейсмографів, хоч і деякий їх функціонал був покращений з часом.

Інтернет-кабелі для попередження землетрусів

Сьогодні вчені навчилися попереджувати про землетруси завдяки волоконно-оптичним кабелям інтернету.

І це логічно, адже ними вкрита майже вся наша планета. Лише на дні океану прокладено 1,4 мільйона кілометрів кабелів інтернету. Сигнали в кабелях дуже чутливі до будь-яких вібрацій: від тих, що спричиняють автомобілі до будівництв поблизу. Саме так народилася ідея перетворити мільйони кілометрів підземних та підводних кабелів на чутливі сейсмічні масиви.

Карта підводних інтернет-кабелів світу 

Як працює технологія

Технологія отримала назву розподіленого акустичного зондування (DAS). Вона нова для світу сейсмології, проте вже використовується для моніторингу кабелів на наявність дефектів.

У оптоволокні інформацію переносять світлові хвилі та фотони. Тому вчені фіксують інтенсивність та швидкість з якою вони передають дані. У разі появи дефекту у волокні, час відбиття збільшиться. Адже незначне його розтягування або звуження, наприклад внаслідок землетрусу може змінити відбиті сигнали.

Час повернення імпульсу дозволяє точно визначити ділянку кабелю, де виникли перешкоди. Оскільки світло відбивається від тисяч дефектів вздовж волокон, кілометровий відрізок кабелю діє як тисячі сейсмометрів.

Реальний кейс попередження землетрусу

У новому дослідженні Каліфорнійського технологічного інституту довели, що волоконно-оптичні кабелі також здатні вимірювати складність сейсмічних подій.

Вчені перетворили існуючі оптичні кабелі однієї телеком-компанії на масив DAS. Провайдери зазвичай закладають більше оптоволокна, ніж потрібно. Фахівці дослідили саме цю частину невикористаного волокна та встановили приймач DAS на одному кінці кабелю вздовж кордону між Каліфорнією та Невадою.

У дослідженні вони проаналізували світлові сигнали двох 50-кілометрових ділянок оптоволоконного кабелю. Це дозволило точно визначити час і місце чотирьох мініпоштовхів, які згодом призвели до землетрусу магнітудою в 6 балів у Долині Антилоп у 2021 році. Загалом 100 кілометрів кабелю надали дані, що еквівалентні роботі 10 000 сейсмометрів.

Використовуючи більше кабелів, сейсмологи зможуть краще зрозуміти землетруси. Хоча вони не здатні передбачати землетруси наперед, це дозволить удосконалити системи раннього сповіщення.

Крім того, технологія не потребує великих витрат. Для прикладу в одному штаті Каліфорнії понад 700 сейсмометрів. Кожен з них коштує до 50 тисяч доларів. А волоконно-оптичні кабелі прокладені в землі і їх вже можна використовувати.