Google 今年最強大的發明:用「海底光纜」偵測地震

【我們為什麼挑選這篇文章】傳統的海底電纜主要提供通訊服務,包括電報通訊以及後來引進的電話通訊與網路通訊,而現代的海底電纜由於使用了光纖技術,並提供了比先前更先進的電話通訊、網路與專用數據通訊,才有了「海底光纜」這個稱呼,而 Google 原先為了全球網路服務大筆投資的海底光纜,現在有了新任務—地震預測與海嘯預警!(責任編輯:賴佩萱)

本文經 AI 新媒體量子位(公眾號 ID:QbitAI)授權轉載,轉載請連繫出處

作者:量子位

140 萬公里,這是全球海底光纜的總長度。

如今,這遍布全球的光纜網絡,可能被賦予另一項重要使命:地震監測。

上週五,Google CEO 桑達爾‧皮猜(Sundar Pichai)發推文宣布,Google 已經開發出了用光纜檢測地震的技術,探測範圍達到十萬公里。

而且,今年一月以來,這項技術已經成功檢測到了多起地震,完全具有了實用意義。

最重要的的是,採用光纜探測傳遞地震訊號,反應時間降低至毫秒級。

Google 如何實現毫秒級的地震預警?

2020 年 1 月 28 日,Google 的研究人員使用海底光纜,在牙買加附近檢測到一次 7.7 級地震。震中距離 Google 用來檢測的光纜 1500 公里。

在此之後的幾個月,研究人員又檢測到了多次發生在世界各地的地震情況。地震烈度從 4-6 級都能準確檢測。

那麼 Google 是如何做到的呢?

在光纜中,光脈衝以每秒 204190 公里的速度傳播,這個過程中,光脈衝會由於機械干擾等原因產生失真,接收端會檢測到這種失真並加以修正。

而接收端檢測的一個重要參數就是 光脈衝的偏振態 SOP(state of polarization)

地震發生時,海底光纜受到地殼運動的影響產生機械形變,光纖的變形會導致在其中傳輸的光脈衝訊號的偏振態(SOP)發生變化,而透過監測和跟蹤極化活動狀態的這些變化,可以檢測地震活動。

傳統的海底地震觀測方法

但是,由於真實環境的複雜,Google 的研究人員一直無法在 SOP 訊號中分辨出真實的地震訊號。

2018 年,Science 上的一篇來自法國的論文詳細闡述了用海底光纜檢測地震的方案。他們的實驗使用窄帶超穩定觀察光脈衝的相位變化,這儘管需要安裝大量傳感器,且探測範圍很小,但這個思路給了 Google 研究人員啟發。

Google 提出了一種基於 SOP 頻譜特徵來檢測地震的方法:對 SOP 的斯托克斯參數進行頻譜分析

上圖是今年一月檢測到的牙買加 7.7 級地震時的光纜 SOP 頻譜圖:斯托克斯向量 S1(左),S2(中心),S3(右),展示了 SOP(極化狀態)的定量分析;X 軸為時間,Y 軸為頻率,以赫茲為單位,不同的顏色代表不同的光譜密度。

地震發生後大約五分鐘時 SOP 頻譜出現明顯的峰值,這與地震波從牙買加到電纜的傳播時間相關,峰值持續時間約為 10 分鐘。

Google 目前已經和加州理工大學合作開發這一項目,根據加州理工地震實驗室的說法,除了預測地震,這項技術還可以用來檢測光纜附近海水壓力的變化,幫助人們預警海嘯

傳統的聲學地震或海嘯探測預警裝置最大的缺點就是不夠及時,因為海水中聲波速度只有 800 km/h,而 如果震中附近剛好有一條光纜,那麼地震訊息可以在幾毫秒內傳達到檢測站 ;此外,Google SOP 頻譜分析不需要在光纜上安裝大量傳感器,大大節約了成本和時間。

Google 將成全球光纜大戶?

當然,Google 這項技術還只是在實驗階段,研究人員還需要更深入的研究不同類型的地震波在光纜 SOP 頻譜上的反映。Google 還透露, 今後可能會利用機器學習的手段來進行複雜的頻譜分析

此外,應用這項技術的一個難題就是光纜的使用許可了。要建立覆蓋全球的地震檢測網,就不得不獲得各個國家海底光纜的使用權限。

Google 目前投資興建的所有海底光纜

這項工作前景還不甚明朗,但 Google 早就有另一手準備。目前,Google 已在全球範圍內投資了 1 條國際海底光纜,約佔全球海底光纜網絡總長度 140 萬公里的 10%。

其中的「居里」光纜是連接一條連接美國西海岸到智利的光纜,全長約 1 萬公里,據外媒推測,這就是今年一月 Google 檢測牙買加地震時用的光纜。和其他光纜線路不同的是,這條「居里」光纜,完全是谷歌私有的。

Google 大力投資光纜線的最初目的是為了推廣它的雲服務到世界各地,而現在,科技的進步卻賦予了海底光纜這一冰冷的商業項目更加人道和高尚的使命。

(本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈光纜能預警地震?谷歌做到了!140 萬公里海纜有望成為報警器 〉。)

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