Океан покрывает более двух третей поверхности Земли. Для сейсмологов, океанографов и других специалистов, которые хотят постоянно следить за движением нашей планеты, этот факт представляет собой проблему. Моря могут быть тусклыми и мутными местами, где трудно получить важные данные о таких вещах, как землетрясения и сейсмические опасности.
Но то, что океаны загадочны, не означает, что в них отсутствует инфраструктура: например, более 750 000 миль телекоммуникационных кабелей, по которым интернет пересекает континенты. Ученые тоже знают об этом. Они начали использовать эту инфраструктуру для обнаружения землетрясений.
Их последний шаг в этом направлении: использование трансатлантического кабеля для поиска землетрясений, что они и сделали в статье, опубликованной 20 мая в журнале Science. Исследователи под руководством Джузеппе Марра из Национальной физической лаборатории Великобритании обнаружили два землетрясения, одно из которых возникло на расстоянии в полмира.
"У нас очень ограниченное зондирование в море. Очень ограниченное. Это просто смешно, то, что у нас есть", - говорит Зак Спика, сейсмолог из Мичиганского университета, который не был одним из авторов этой статьи. "Но сейчас мы понимаем, что у нас есть тысячи возможных датчиков, и мы можем начать копаться в этом и наблюдать за происходящим".
Сегодня телекоммуникационные компании сплели оптические волокна в замысловатую паутину, разбросанную по всему миру. Эти кабели - скрытые, но важные компоненты, обеспечивающие работу Интернета. Они не только соединяют полушария, но и обеспечивают критически важную связь в более изолированных частях мира.
(Просто спросите Тонга, чья кабельная линия была разорвана извержением вулкана в начале этого года. Люди и спасательные службы на островах часто были вынуждены полагаться на спутниковый интернет 2G, пока кабель не был восстановлен).
Использование кабелей для подводного зондирования - идея не новая. Сначала эта идея опиралась на специализированные кабели, изготовленные на заказ. Военно-морской флот США экспериментировал с ними в начале холодной войны в качестве способа обнаружения советских подводных лодок. Ученые Калифорнии и Японии начали тестировать кабели для обнаружения землетрясений в 1960-х годах.
Но установка специального оборудования стоит дорого, и в 21 веке - чему способствовало то, что телекоммуникационная отрасль с большим одобрением отнеслась к этой идее - ученые начали использовать то, что уже есть.
Возможно, самым известным методом является техника, известная как распределенное акустическое зондирование (DAS). Для этого ученые стреляют короткими световыми импульсами с одного конца кабеля. Если, например, при землетрясении кабель сотрясается, толчки отражают часть света обратно к отправителю, который может использовать его для восстановления того, что и где произошло.
Многие ученые приняли DAS, но у нее есть ключевое ограничение: расстояние. Когда свет (или любой другой сигнал) проходит вдоль линии, он ослабевает, или теряет силу. Поэтому трудно использовать DAS для обнаружения сигнала на расстоянии более нескольких десятков миль. Это немалое достижение, но что, если вы хотите видеть, скажем, середину океана за тысячи миль от берега?
В 2021 году исследователи под руководством Чжунвэнь Чжаня, сейсмолога из Калифорнийского технологического института, испытали другой метод на кабеле Curie, принадлежащем компании Google, который проходит от Лос-Анджелеса до Валапараисо, Чили, параллельно высокоактивному тихоокеанскому побережью Америки. Эта группа исследовала отпечатки землетрясений на регулярном сигнальном трафике, проходящем по кабелю.
Но у их метода был недостаток: они не могли сказать, как далеко что-то произошло, только то, что это произошло. "Они обнаруживали землетрясения, но... не знали, откуда они исходят", - говорит Спика.
Конечно, если вы общаетесь со своим другом за границей, ваши голоса без проблем дойдут друг до друга. Это происходит потому, что эти кабели оснащены устройствами, называемыми ретрансляторами. Подобно игрокам в большой телефонной игре (только гораздо, гораздо надежнее), ретрансляторы принимают входящий сигнал и усиливают его, чтобы передать следующему.
В течение нескольких лет некоторые ученые поддерживали предложение, названное SMART, оснастить новые ретрансляторы на будущих кабелях недорогими сейсмическими датчиками, датчиками давления и температуры. Телекоммуникационные компании теперь обращают на это внимание: Один из проектов SMART - кабель, соединяющий материковую часть Португалии с ее атлантическими островами - планируется ввести в эксплуатацию в 2025 году.
Но у подводных ретрансляторов кабелей на морском дне уже есть вторая функция: Чтобы помочь кабельным операторам обнаружить потенциальные проблемы, ретрансляторы могут передавать часть своего сигнала обратно.
Марра и его коллеги воспользовались этим существующим средством защиты. Они направили инфракрасный лазер через кабель и изучили сигналы, которые возвращались от каждого ретранслятора. Таким образом, они смогли разбить пересекающий океан кабель на кусочки длиной в несколько десятков миль.
"Я знаю, что другие думали о том, как это сделать", - говорит Брюс Хоу, океанограф из Гавайского университета, который также не участвовал в работе над этой статьей, - "но они сделали это".
Группа Марра испытала свою методику на трансатлантическом кабеле, проложенном между Саутпортом на северо-западе Англии и Галифаксом в Атлантической Канаде. Они смогли обнаружить не только землетрясения - одно из них произошло на севере Перу, а другое - в Индонезии, - но и шум от движения воды в океане.
Здесь есть несколько загвоздок. Во-первых, говорит Хау, этот вид обнаружения отличается от того, к чему привыкли сейсмологи. Марра и его коллеги пока не смогли измерить магнитуду землетрясения. И отличить землетрясение, скажем, от изменения температуры океана может оказаться непросто. Именно в этом случае несколько методов - например, эта новейшая методика плюс SMART - могут работать в тандеме.
Многие ученые в восторге от потенциала кабелей. "Я действительно чувствую, что самые большие прорывы [в сейсмологии] будут сделаны в море, потому что там так много интересного, - говорит Спика. Они могут значительно улучшить наши системы предупреждения о цунами. Они могут помочь геологам заглянуть в малоизученные места, где тектонические плиты сходятся или расходятся, например, срединно-океанические хребты. И они могут помочь океанографам следить за тем, что происходит в потеплении океанов".
"Деньги, как всегда, являются главным препятствием", - говорит Хау, - "но последние успехи показывают, что мы можем преодолеть это".