既存のファイバー

Jul 12, 2023

2023 年 1 月 12 日

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ナンシー・バジルチュク著、ノルウェー科学技術大学

地球上を縦横に張り巡らされた 120 万 km 以上の光ファイバー ケーブルは、世界中の電話、インターネット信号、データを伝送します。 しかしこの夏、研究者らはスバールバル諸島の西海岸で光ファイバーケーブルによって検出されたシロナガスクジラとナガスクジラの不気味な音を初めて発表した。

研究者たちは今、さらに大きな獣、つまり地球そのものを盗聴したいと考えています。

ノルウェー科学技術大学（NTNU）電子学部のマーティン・ランドロ教授は、世界の光ファイバーネットワークと衛星などの既存のリモートセンシングシステムを組み合わせることで、低コストの世界規模のリアルタイム監視ネットワークを構築できる可能性があると述べた。システム担当者であり、地球物理学的予報センターの所長。

「これは海洋地球科学の革新的な地球規模の観測所となる可能性がある」と彼は語った。 Landrø は、Scientific Reports に掲載された、そのようなシステムがどのように機能するかに関する記事の筆頭著者でした。

光ファイバー ケーブルは新しいものではありません。 おそらく、この記事を読むことができるように、コンピューターがデコードしている情報が送信されていると考えられます。

ただし、変わったのは、これらのネットワークから情報を抽出するために使用できるツールです。 問題のツールには、尋問者というかなり憂慮すべき名前が付けられています。

インテロゲータを光ファイバー ケーブル ネットワークに接続して、ケーブルを通じて光パルスを送信できます。 音波や実際の波が水中ケーブルに当たるたびに、ファイバーはほんの少しだけ曲がります。

「そして、繊維の相対的な伸びを非常に正確に測定することができます」とランドロ氏は語った。 「この技術は長い間存在していました。しかし、過去 5 年間で大きな進歩を遂げました。そのため、今ではこれを使用して、最大 100 ～ 200 キロメートルの距離にわたる音響信号を監視および測定できるようになりました」 . それが新しいことですね。」

ランドロ氏のチームには、ノルウェー教育研究共有サービス機関であるシクトと、尋問官を提供したノルウェー・アルカテル・サブマリン・ネットワークス・ノルウェーの研究者が含まれており、スバールバル諸島最大の集落であるロングイェールビーンと、そしてニーオーレスンは、群島最大の島の南西海岸にある研究拠点です。 彼らは2020年に44日間ケーブルを監視し、800以上のクジラの鳴き声を集計した。

「ロングイェールビーンとニーオーレスン間のファイバーケーブルは、5年間の計画と準備作業を経て2015年に生産開始され、主に我が国の省からの資金提供を受けて、研究コミュニティとニーオーレスンの測地局に高品質でサービスを提供することを目的としていました。回復力のある通信容量です」と、シクトの全国 R&E ネットワークの責任者であるオラフ・シュジェルデラップ氏は、監視プロジェクトに関する以前の記事で述べています。 Schjelderup 氏はこの新しい論文の共著者でもありました。

「DASセンシングとクジラの観察実験は、この種の光ファイバーインフラストラクチャーの全く新しい利用法を示しており、その結果、優れたユニークな科学が生み出された」と同氏は述べた。

技術は優れていますが、航続距離には依然として限界があります。 ランドロ氏は、技術が向上するにつれて、それがさらに良くなることが期待されていると述べた。

「現在の質問機は、長い光ファイバーケーブルで一般的に使用される中継器を超えたものを感知することはまだできませんが、この技術は非常に急速に発展しており、これらの制限をすぐに克服できると期待しています」とランドロ氏は述べた。

クジラの鳴き声を検知する過程で、研究者らはケーブルの上や近くを通過する船、一連の地震、そして最終的には遠くの嵐によるものであると理解した奇妙な波のパターンも検知することができた。

ランドロ氏によると、測定値は十分に正確で、アラスカの大地震など、実際に起こったそれぞれの出来事と測定値を相関させることができたという。

「もちろん、多くの船舶の往来と多くの地震が発生しましたが、その最大のものはアラスカからのものでした」と彼は言いました。 「それは大きな出来事でした。120 km にわたって (ケーブル内の) すべてのチャネルでそれを確認しました。また、遠くの嵐を検出できることも確認できました。」

システムが船舶をどのように検出できたかの一例として、ロングイェールビーンから約 86.5 km の地点で光ファイバー ケーブルを横切る一般貨物船「ノルビョルン」が検出されました。 研究者らは、ケーブル上の航跡から船の速度を推定し、船の自動識別システム（AIS）航跡でそれを検証することができた。

研究者らは当初、監視期間中に検出された数十回の一連の波に当惑した。 各波イベントは 50 ～ 100 時間続き、イベント中に波の周波数は単調増加しました。 しかし最終的に、彼らはその謎の信号が遠くの嵐によって送られたうねりであることに気づきました。

「これらは海面を伝わる物理的な海の波です」とランドロ氏は言う。

最も低い周波数の波が最も速く伝わり、次に高い周波数の波が到着するのは 6 日ほど遅れます。 これは 1963 年に海洋学者のウォルター ムンクが発表した論文で、科学者が波の周波数と時間のプロットの傾きを測定し、計算を行うことで、嵐によって発生した波がどこから来ているかを解明する方法を説明した論文を発表したときに認識されたパターンです。 。

これらの計算を使用して、ランドロのチームはメキシコ湾のスバールバル諸島から 4100 km 離れた熱帯低気圧エドゥアルドを特定しました。 彼らはまた、スバールバルケーブルから13,000キロ離れたブラジル沖で大きな嵐が発生したことを確認した。

地質学者はすでに、地震計と呼ばれる、地震の監視と測定に役立つセンサーのネットワークを持っています。 これらの機器は高感度であり、詳細な情報を大量に提供してくれる、とランドロ氏は語った。

しかし、地震計は高価であり、世界の光ファイバー ケーブル ネットワークほど広く普及していません。

光ファイバー ネットワークの 1 つの欠点は、信号対雑音比が低いことです。 これは、多くの背景ノイズがあり、地震からの信号が背景ノイズに対してそれほど明瞭でないか、強力ではないことを意味します。

しかし、ファイバーネットワークの利点は、それが広く普及しており、すでに導入されているということです。つまり、既存の地震計に追加の情報を提供できる可能性があります。 既存のシステムを置き換えるのではなく、それを補完するという考えです。

「そこで問題は、信号対雑音比は低いが、空間カバー率がより優れている方法から何を学べるかということです。たとえ品質が低くても、その追加情報を地震についてさらに知るためにどのように使用できるでしょうか?そしてその特性は？」 ランドロ氏は語った。

また、既存の光ファイバーネットワークを海底パイプラインの監視に使用できるかどうかという疑問もあるが、9月下旬に起きた爆発でノルドストリーム1と2のパイプラインが損傷したことを考えると、これは特に重要だ。

「この光ファイバー技術を使って海底のインフラを監視し、保護することはできるだろうか？それは重要な問題だ」と同氏は述べた。

パイプラインの課題は、ガスがパイプ内を流れるときに騒音が発生することです。

「バックグラウンドノイズを使用して、自然の変動性を特徴付ける必要があります。そして、そのパイプラインに何かが近づいている場合、閾値は何ですか?いつ行動し、何を検出できますか?そして、私たちにはわかりません。」と彼は言いました。言った。 「したがって、これについて専用のテストを実施する計画です。」

最終的には、パイプラインをリアルタイムで監視してパイプラインの安全性を確認するというアイデアになる可能性があります。 すでに研究者は、スバールバル諸島ファイバー ネットワークから音響データのリアルタイム ストリームを取得しています。

詳しくは： Martin Landrø 他、北極光ファイバー ケーブルを使用したクジラ、嵐、船、地震の検出、Scientific Reports (2022)。 DOI: 10.1038/s41598-022-23606-x

雑誌情報:科学レポート

ノルウェー科学技術大学提供