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Fibre ottiche come sensori di rilevamento di terremoti

I ricercatori sperano di trasformare le miglia e le miglia di fibre ottiche già sepolte sotto la California di San Francisco Bay Area in una serie di sensori di rilevamento terremoto.

Le fibre ottiche sono sottili fili di vetro puro circa lo spessore di un capello umano. Essi sono in genere legate insieme per creare cavi che trasmettono segnali di dati su lunghe distanze, convertendo i segnali elettronici in luce, fornendo internet ad alta velocità e video HD a case e aziende.

Biondo Biondi, professore di geofisica presso la Scuola di Scienze della Terra, dell’ Energia e dell’ Ambiente della Stanford University, vuole trasformare una fitta rete in un osservatorio di “miliardi di sensori” a basso costo per il monitoraggio e lo studio continuo dei terremoti.
Nell’ ultimo anno Biondi e il suo team hanno dimostrato che è possibile convertire le maschere di fili di fibre ottiche in informazioni sulla direzione e l’ ampiezza degli eventi sismici.

I ricercatori hanno registrato quelle onde sismiche in un ciclo di tre miglia di fibra ottica installato sotto il campus di Stanford con gli strumenti chiamati interrogatori laser forniti dalla società OptaSense, che è un coautrice su pubblicazioni sulla ricerca.
“Possiamo ascoltare continuamente e sentire bene la Terra usando le fibre ottiche preesistenti che sono state impiegate per le telecomunicazioni “, dice Biondi.

Attualmente, i ricercatori monitorano i terremoti con sismometri, che sono più sensibili della gamma di telecomunicazioni proposta, ma la loro copertura è scarsa e possono essere impegnativi e costosi da installare e mantenere, soprattutto nelle aree urbane.

Al contrario, un osservatorio sismico come quello proposto da Biondi sarebbe relativamente poco costoso. “Ogni metro di fibra ottica nella nostra rete funziona come un sensore e costa meno di un dollaro da installare “, dice Biondi. Non si sarebbe mai in grado di creare una rete utilizzando sismometri convenzionali con questo tipo di copertura, densità e prezzo.

Tale rete permetterebbe agli scienziati di studiare i terremoti, soprattutto quelli più piccoli, in modo più dettagliato e di individuare le loro fonti più rapidamente di quanto non sia attualmente possibile. Una maggiore copertura del sensore permetterebbe inoltre di misurare con una risoluzione più elevata le risposte del terreno allo scuotimento.

Terremoto del Messico
L’ osservatorio sismico in fibra ottica ha rilevato con successo il terremoto di magnitudo 8,2 che ha colpito il Messico centrale l’ 8 settembre 2017.
Gli ingegneri civili hanno potuto sfruttare ciò che apprendono su come gli edifici e i ponti reagiscono ai piccoli terremoti del campo dei miliardi di sensori e utilizzare tali informazioni per progettare edifici in grado di resistere a forti scosse “, afferma Eileen Martin, uno studente laureato nel laboratorio di Biondi.

Biondi non è il primo a prevedere l’ utilizzo di fibre ottiche per monitorare l’ ambiente. Una tecnologia nota come DAS (Distributed acoustic sensing) controlla già lo stato di salute degli oleodotti e dei pozzi nell’ industria petrolifera e del gas.

Come funziona DAS:  mentre la luce viaggia lungo la fibra, incontra varie impurità nel vetro e rimbalza , dice Martin. Se la fibra fosse completamente ferma, il segnale’ backscatter’ sarebbe sempre lo stesso. Ma se la fibra inizia ad estendersi in alcune aree, a causa di vibrazioni o deformazioni, il segnale cambia.

La precedente implementazione di questo tipo di rilevamento acustico, tuttavia, richiedeva che le fibre ottiche fossero affisse in modo economico su una superficie o racchiuse nel cemento per massimizzare il contatto con il terreno e garantire la massima qualità dei dati. Al contrario, il progetto di Biondi sotto Stanford la fibra ottica sismica  impiega le stesse fibre ottiche delle aziende di telecomunicazioni, che si trovano non fissate e libere all’ interno di tubazioni.

Da quando l’ osservatorio sismico in fibra ottica ha iniziato la sua attività nel settembre 2016, ha registrato e catalogato più di 800 eventi, che spaziano dagli eventi di produzione umana ai piccoli episodi locali appena sentiti, fino a catastrofi potenti e mortali come i recenti terremoti che hanno colpito più di 2.000 miglia di distanza in Messico. In un esperimento particolarmente rivelatore, l’ array sotterraneo ha raccolto segnali da due piccoli terremoti locali con magnitudo di 1,6 e 1,8.

“Come ci si aspettava, entrambi i terremoti avevano la stessa forma d’ onda, o modello, perché provenivano dallo stesso luogo, ma l’ ampiezza del terremoto più grande era maggiore “, dice Biondi. Ciò dimostra che l’ osservatorio sismico a fibre ottiche può distinguere correttamente tra diversi tipi di terremoti.

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