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Na Califórnia, milhares de quilômetros de cabos de fibra ótica cruzam o estado, fornecendo acesso à internet às pessoas. Mas esses cabos subterrâneos também podem ter uma função secundária surpreendente: eles podem detectar e medir terremotos. Em um novo estudo da Caltech, os cientistas relatam o uso de uma seção de cabo de fibra ótica para medir detalhes intrincados de um terremoto de magnitude 6, identificando a hora e a localização de quatro asperezas individuais, as áreas “presas” da falha, que levaram à ruptura. .
Por vários anos, o professor de geofísica Zhongwen Zhan (PhD ’14) e sua equipe tiveram como objetivo mostrar que o reaproveitamento de cabos de fibra ótica é uma maneira simples de expandir drasticamente nossa capacidade de medir a atividade sísmica, produzindo uma densa rede de sismômetros improvisados em um método chamada de detecção acústica distribuída. O novo estudo, publicado na revista Naturezautilizou apenas uma seção de cabo de 100 quilômetros para entender com precisão a mecânica complexa por trás de um terremoto específico de 2021, sugerindo que o acesso a mais cabos permitiria uma melhor compreensão da física do terremoto e, finalmente, melhores sistemas de alerta antecipado de terremoto.
“Se conseguirmos uma cobertura mais ampla para medir a atividade sísmica, podemos revolucionar a forma como estudamos terremotos e fornecer alertas mais avançados”, diz Zhan. “Embora não possamos prever terremotos, a detecção acústica distribuída levará a uma melhor compreensão dos detalhes subjacentes à ruptura da Terra.”
Existem cerca de 500 sismômetros ao longo dos cerca de 56.500 milhas quadradas no sul da Califórnia, e cada um custa até US$ 50.000. Por outro lado, a utilização de cabos de fibra ótica em todo o estado pode ser equivalente a cobri-lo com milhões de sismômetros.
Para usar um cabo de fibra ótica como um sismômetro, os emissores de laser são colocados em uma extremidade do cabo, disparando feixes de luz através dos longos e finos fios de vidro que compõem o núcleo do cabo. O vidro tem pequenas imperfeições que refletem de volta uma porção minúscula da luz para a fonte, onde é registrada. Dessa maneira, cada imperfeição atua como um ponto de passagem rastreável ao longo do cabo de fibra ótica, que normalmente fica enterrado logo abaixo do nível do solo. As ondas sísmicas que se movem pelo solo fazem com que o cabo se mexa ligeiramente, o que altera o tempo de viagem da luz de e para esses pontos de passagem. Assim, as imperfeições ao longo do comprimento do cabo atuam como milhares de sismógrafos individuais que permitem aos sismólogos observar o movimento das ondas sísmicas.
Neste novo estudo, a equipe examinou as assinaturas de luz que viajam através de um trecho de cabo de fibra ótica localizado no leste de Sierra Nevada durante o terremoto de magnitude 6 em Antelope Valley em 2021. A seção de cabo equivalia a 10.000 sismômetros e conseguiu descobrir que o M6 era formado por uma sequência de quatro rupturas menores. Esses chamados “subeventos”, como miniterremotos, não puderam ser detectados por uma rede sísmica convencional.
Em colaboração com o laboratório de Nadia Lapusta, Lawrence A. Hanson Jr., professor de Engenharia Mecânica e Geofísica, a equipe conseguiu criar um modelo preciso do terremoto M6 com base na atividade sísmica medida. O modelo mostrou o tempo dos quatro subeventos e identificou suas localizações exatas na região da falha.
“O uso de cabos de fibra ótica como uma série de sismômetros revela aspectos da física dos terremotos que há muito são hipotetizados, mas difíceis de imaginar”, diz Zhan. “Como analogia, imagine seu telescópio de quintal comum. Você pode ver Júpiter, mas provavelmente não pode ver suas luas ou quaisquer detalhes. Com um telescópio realmente poderoso, você pode ver os detalhes finos do planeta e das superfícies lunares. Nossa tecnologia é como um poderoso telescópio para terremotos.”
O artigo é intitulado “A quebra das asperezas do terremoto imaginadas por detecção acústica distribuída”. Jiaxuan Li, pesquisador associado de pós-doutorado em geofísica, é o primeiro autor do estudo. Além de Zhan, Li e Lapusta, outros coautores são o estudante de pós-graduação Taeho Kim e o cientista da DAS Ettore Biondi. O financiamento foi fornecido pela National Science Foundation.
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