Un equipo de investigación dirigido por Jonathan Ajo-Franklin, del Área de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente (EESA) de Berkeley Lab, está convirtiendo partes de un banco de pruebas de “fibra oscura” de casi 21.000 kms de largo que es propiedad del ESE del DOE en un sensor de actividad sísmica altamente sensible.

En la sismología tradicional, los investigadores que estudian cómo se mueve la tierra en los momentos antes, durante y después de un terremoto dependen de sensores que cuesta instalar bajo tierra decenas de miles de dólares. Y debido al gasto y la mano de obra involucrados, solo se han instalado unos pocos sensores sísmicos en áreas remotas de California, lo que dificulta la comprensión de los impactos de futuros terremotos, así como pequeños terremotos que ocurren en fallas no asignadas.

Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley) del Departamento de Energía de EE. UU. Han descubierto una manera de superar estos obstáculos convirtiendo partes de un banco de pruebas de "fibra oscura" de casi 21.000 kms de largo, propiedad de La Red de Ciencias de la Energía del DOE (ESnet), en un sensor de actividad sísmica altamente sensible que podría aumentar potencialmente el rendimiento de los sistemas de alerta temprana de terremotos que se están desarrollando actualmente en el oeste de los Estados Unidos. El estudio que detalla el trabajo, el primero en emplear una gran red regional como sensor de terremotos, se publicó esta semana en Nature Scientific Reports.

Sacudiendo la sismología con fibra oscura.
Según Jonathan Ajo-Franklin, científico del personal del Área de Ciencias Ambientales y de la Tierra de Berkeley Lab que dirigió el estudio, hay aproximadamente 10 millones de kilómetros de cable de fibra óptica en todo el mundo, y alrededor del 10 por ciento está formado por fibra oscura, reliquias del auge de las punto-com cuando las compañías de telecomunicaciones se apresuraron a instalar vastas redes de cable subterráneo para satisfacer las demandas de una nueva industria en crecimiento. Sin embargo, a medida que la tecnología para transmitir datos mejoró, se necesitaron menos cables, dejando un legado de fibra oscura sin luz, esperando a ser utilizado.
El grupo Ajo-Franklin ha estado trabajando en este tipo de experimento durante varios años. En un estudio de 2017, instalaron un cable de fibra óptica en una zanja poco profunda en Richmond, California, y demostraron que una nueva tecnología de detección llamada detección acústica distribuida (DAS) podría usarse para obtener imágenes del subsuelo superficial. DAS es una tecnología que mide los campos de ondas sísmicas al disparar pulsos láser cortos a lo largo de la fibra. En un estudio de seguimiento, ellos y un grupo de colaboradores demostraron por primera vez que los cables de fibra óptica podrían usarse como sensores para detectar terremotos.

Un equipo de investigación dirigido por Jonathan Ajo-Franklin de Berkeley Lab realizó sus experimentos en un segmento de 20 millas del ESB de Fibra Oscura ESnet de 13,000 millas de longitud que se extiende desde West Sacramento hasta Woodland, California. (Crédito: Ajo-Franklin / Berkeley Lab)
El estudio actual utiliza la misma técnica DAS, pero en lugar de implementar su propio cable de fibra óptica, los investigadores realizaron sus experimentos en un segmento de 32 kms de un banco de pruebas de fibra oscura ESnet de casi 21.000 kms de largo que se extiende desde West Sacramento hasta Woodland, California. "Para verificar aún más nuestros resultados del estudio de 2017, sabíamos que tendríamos que realizar las pruebas DAS en una red de fibra oscura real", afirma Ajo-Franklin, quien también dirige el Departamento de Geofísica del Laboratorio Berkeley.

"Cuando Jonathan me habló sobre el uso de nuestro banco de pruebas de fibra oscura, ni siquiera sabía que era posible utilizar una red como sensor", afirma Inder Monga, Director Ejecutivo de ESnet y Director de la División de Redes Científicas en Berkeley Lab. "Nadie había hecho este trabajo antes. Pero las posibilidades eran tremendas, así que dije, '¡Claro, ¡hagámoslo!'
Chris Tracy de ESnet trabajó estrechamente con los investigadores para descubrir la logística de la implementación. La compañía de telecomunicaciones CenturyLink proporcionó información de instalación de fibra.
Debido a que el ESnet Testbed tiene cobertura regional, los investigadores pudieron monitorizar la actividad sísmica y el ruido ambiental con mayor detalle que en estudios anteriores.
"La cobertura de ESnet Dark Fiber Testbed nos proporcionó imágenes del subsuelo a una resolución más alta y a mayor escala de lo que hubiera sido posible con una red de sensores tradicional", comenta la coautora Verónica Rodríguez Tribaldos, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Ajo-Franklin. “Las redes sísmicas convencionales a menudo emplean solo unas pocas docenas de sensores separados por varios kilómetros para cubrir un área tan grande, pero con ESnet Testbed y DAS, tenemos 10.000 sensores en una línea con un espacio de dos metros. Esto significa que con un solo cable de fibra óptica puede recopilar información muy detallada sobre la estructura del suelo durante varios meses ".

Excavación profunda para datos subterráneos
Al unir la tecnología DAS con la fibra oscura, los investigadores del laboratorio de Berkeley pudieron detectar terremotos locales y distantes, desde Berkeley hasta Gilroy, California, hasta Chiapas, México.
Después de siete meses de usar DAS para registrar datos a través del ESnet Dark Fiber Testbed, los investigadores demostraron que los beneficios de usar una fibra comercial son múltiples. “Con solo escuchar durante 40 minutos, esta tecnología tiene el potencial de hacer aproximadamente 10 cosas diferentes a la vez. "Pudimos captar ondas de muy baja frecuencia de terremotos distantes, así como las frecuencias más altas generadas por los vehículos cercanos", comenta Ajo-Franklin. La tecnología permitió a los investigadores diferenciar entre un automóvil o un tren en movimiento frente a un terremoto, y detectar tanto terremotos locales como distantes, desde Berkeley hasta Gilroy y Chiapas, México. La tecnología también se puede usar para caracterizar la calidad del suelo, proporcionar información sobre los acuíferos e integrarse en los estudios geotécnicos, agregó.
Con una imagen tan detallada del subsuelo, la tecnología tiene potencial para su uso en estudios de lapso de tiempo de las propiedades del suelo, dijo Rodríguez Tribaldos. Por ejemplo, en la monitorización ambiental, esta herramienta podría usarse para detectar cambios a largo plazo en el agua subterránea, la fusión del permafrost o los cambios hidrológicos involucrados en los peligros de deslizamientos de tierra.

Los hallazgos del estudio actual también sugieren que es posible que los investigadores ya no tengan que elegir entre la calidad de los datos y la asequibilidad. "Los sensores de los teléfonos móviles son económicos y nos dicen cuándo ocurre un gran terremoto cerca, pero no podrán registrar las vibraciones finas del planeta", dijo el coautor Nate Lindsey, un estudiante graduado de la UC Berkeley que dirigió el trabajo de campo y Análisis de terremotos para el estudio 2017. "En este estudio, demostramos que las fibras ópticas baratas recogen esos pequeños movimientos del terreno con una calidad sorprendente".

Con 300 terabytes de datos sin procesar recopilados para el estudio, los investigadores han sido desafiados a encontrar formas de gestionar y procesar efectivamente la "manguera de incendios" de la información sísmica. Ajo-Franklin expresó su esperanza de construir un día un portal de datos sismológicos que combine ESnet como un sensor y un mecanismo de transferencia de datos, con análisis y almacenamiento de datos a largo plazo administrados por la instalación de supercomputación de Berkeley Lab, NERSC (Centro Nacional de Computación Científica para la Investigación de la Energía).
Monga agregó que a pesar de que el banco de pruebas de fibra oscura pronto se iluminará para la próxima generación de ESnet, denominada "ESnet 6", puede haber secciones que podrían usarse para sismología. "Aunque fue completamente inesperado que ESnet, una red transatlántica dedicada a la investigación, se pudiera usar como un sensor sísmico, encaja perfectamente en nuestra misión", dijo. "En ESnet, queremos habilitar el descubrimiento científico sin restricciones geográficas".
La investigación fue financiada por el Fondo de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio con una investigación anterior apoyada por el Programa Estratégico de Investigación y Defensa Ambiental (SERDP), Departamento de Defensa de los Estados Unidos.
ESnet, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, es una red no clasificada de alto rendimiento creada para respaldar la investigación científica. Es gestionado por el laboratorio de Berkeley.

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