Unterwasserkabel: Millionen von potenziellen seismischen Sensoren

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Wissenschaftler haben erstmals gezeigt, dass es möglich ist, die Ausbreitung von seismischen Wellen am Meeresboden mit Hilfe von Unterwasser-Telekommunikationskabeln nachzuweisen. Nach ihren Beobachtungen könnte diese vorhandene Infrastruktur zur Detektion von Erdbeben, Seegang und Unterwasserlärm genutzt werden. Die Ergebnisse wurden von Forschern des CNRS, des OCA, des IRD und der Université Côte d’Azur, die im Labor von Géoazur zusammenarbeiten, in Zusammenarbeit mit der Firma Fébus Optics und dem Centre de Physique des Particules de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université) in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Der Meeresboden wird von 1,2 Millionen Kilometern Telekommunikationskabeln durchzogen (dreimal die Entfernung von der Erde zum Mond). Sie bestehen aus Glasfasern und erleichtern einen Großteil unserer Kommunikation per Telefon, SMS und E-Mail. Und sie könnten bald eine neue Rolle übernehmen, nämlich die der Detektion von akustischen und seismischen Wellen.

Seismische Wellen eines Erdbebens der Stärke 1,9 nördlich von Fréjus (Var), aufgezeichnet entlang des 41 km langen Glasfaserkabels, das auf dem Meeresboden vor Toulon verlegt wurde. In der Aufzeichnung rechts entspricht jede Linie einem Messpunkt, der sich entlang des Kabels von der Küste (oben) bis zum offenen Ozean (unten) befindet. (Die 41 km des Kabels entsprechen über 6000 Sensoren). Die Differenz in der Ankunftszeit der Wellen an den verschiedenen Messpunkten wird zur Lokalisierung des Erdbebens verwendet. (Grafik: Diane Niet)

Hier nutzten die Wissenschaftler ein 41 km langes Kabel, das vor der Küste von Toulon in Südfrankreich verlegt wurde, um Daten von den Sensoren des Unterwasser-Observatoriums MEUST-NUMerEnv in 2500 m Tiefe abzurufen. Die von ihnen entwickelte Methode macht sich kleine Verunreinigungen in den optischen Fasern zunutze, die einen Teil des von ihnen transportierten Lichts zurück zum Sender schicken. Durch Dehnung oder Kontraktion der Faser verändert der Durchgang einer seismischen oder akustischen Welle den Abstand zwischen diesen Verunreinigungen und damit das rückgestreute Signal um einen winzigen Betrag. Allerdings mussten sie nachweisen, dass diese Unterschiede nachweisbar sind, da bei Tiefseekabeln die optischen Fasern von mehreren isolierenden Schichten umgeben sind.

Durch das Einspeisen von Lichtimpulsen in eine optische Faser und die Analyse des rückgestreuten Signals wandelte das Team die 41 km lange optische Faser in mehr als 6000 seismische Sensoren um. An jedem der Messpunkte wurde ein während des Versuchs aufgetretenes Erdbeben der Magnitude 1,9 mit einer Empfindlichkeit nahe der einer küstennahen seismischen Station detektiert, obwohl sich diese über 100 km vom Kabel entfernt befand (Abbildung 1).

Doch damit nicht genug: Die Messstellen sind auch empfindlich auf Wellen, die durch den Ozean laufen, wie sie beispielsweise durch Seegang entstehen. Die Autoren haben den Einfluss der Wellen auf den küstennahen Meeresboden und ihre Wirkung auf die Tiefseeebene aufgezeichnet, wo sie “seismisches Hintergrundrauschen” erzeugen. Mit den Sensoren konnte erstmals beobachtet werden, wie diese sehr kleinen Vibrationen, die in ständiger Wechselwirkung mit dem Erdinneren stehen, entstehen, so dass die Geophysiker die Struktur der Erde erforschen können.

Animation, die den Effekt des Seegangs entlang der ersten acht Kilometer der Glasfaser zeigt. (Bildnachweis: Diane Niet)

Die Forscher glauben, dass ein Telekommunikationskabel, ähnlich wie eine Reihe von Mikrofonen, auf die gleiche Weise Unterwassergeräusche von Schiffen und Walen aufspüren könnte.

Angesichts der logistischen und finanziellen Herausforderung, die der Einsatz von Instrumenten auf dem Meeresboden darstellt, könnten Telekommunikationskabel eine Möglichkeit bieten, unser Verständnis dieser zwei Drittel der Erdoberfläche bedeckenden Terra incognita zu verbessern und eine Vielzahl wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Fragen wie etwa Erdbeben, Küstenerosion, Wechselwirkungen zwischen Leben, Ozeanen und der festen Erde usw. anzugehen.

Eine bestimmte Anzahl von Kabeln, die derzeit in Betrieb sind, werden von den Telekommunikationsbetreibern in den kommenden Jahren schrittweise abgebaut. Dank dieser Forschung könnten sie bald ein zweites Leben erhalten.


Veröffentlichung: Sladen, A., Rivet, D., Ampuero, J.P. et al. Distributed sensing of earthquakes and ocean-solid Earth interactions on seafloor telecom cables. Nat Commun 10, 5777 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13793-z

Quelle: CNRS

Titelbildunterschrift: Spektrum des Rauschens entlang des Kabels. Der direkt durch den Seegang erzeugte Druck verschwindet in einer Tiefe, die von der Frequenz abhängt, wie von der linearen Theorie vorhergesagt (die blau gestrichelte Kurve zeigt eine vorhergesagte Tiefe von 95% Amplitudenverlust). Jenseits von 8 km von der Küste, in einer Tiefe von mehr als 200 m, nimmt das OF-Kabel die durch die Meeresoberflächenwellen verursachten Druckschwankungen zweiter Ordnung wahr. In tiefem Wasser sind die Frequenzen der maximalen Energie konsistent mit denen, die aus dem Wassersäulenresonanzeffekt, der die Scholte-Wellen verstärkt, vorhergesagt werden (rot gestrichelte Kurve). (Grafik: s. Veröffentlichung)

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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.

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