光ファイバーケーブルが地震を警告するしくみ

Jul 07, 2023

マット・サイモン

月曜日にトルコとシリアで発生したマグニチュード7.8の地震は、地球の奥深くにはまだ秘密が隠されているということを残酷に思い出させた。 科学者たちは、断層が地震を起こしやすいことを十分に知っていますが、揺れがいつ起こるか、またその規模がどれくらいになるかはわかりません。 それができれば、現時点で死者数は2万人を超えることはないだろうが、救助隊は今も生存者の捜索に奔走している。

それでも、近年科学者らは、地震計が地鳴りの始まりを検知し、人々の携帯電話に直接警報を送信する早期地震警報システムの開発を進めている。 その警報は、地震が起こる数日前や数時間前に発せられるのではなく、数秒前に発せられます。 地球の地震発生はあまりにも突然であり、科学者たちは十分な警告時間を提供することができません。

しかし、新しい技術がいつかこれらの早期警報システムを強化し、人々が到来する地震に備えるための余分な時間を提供する可能性がある。とはいえ、震源地にどれだけ近いかにもよるが、それでも数秒程度の時間だろう。 。 これは分散音響センシング (DAS) と呼ばれます。 この分野はまだ初期段階にあるが、DAS は、地震波を検出するための広大な超高感度ネットワークとして、私たちの足元に埋もれた光ファイバー ケーブルを利用できる可能性がある。 これらのケーブルは通信に使用されますが、地面の動きによってケーブルを伝わる光がわずかに妨げられ、明確な信号が生成されるため、地震や火山噴火の感知にも再利用できます。

DAS は地震を予測できません。 初期の揺れを検出するだけです。 「地震計であれ、光ファイバーケーブルであれ、どんなシステムも、センサーで何かが起こる前にそれを検知することはできません」と、イタリアのエトナ山の火山活動の検知にDASを使用したドイツ地球科学研究センターの地球科学者フィリップ・ジュセ氏は言う。 「早期に検出できるように、センサーを発生源のできるだけ近くに設置する必要があります。どこにでもたくさんのケーブルがあります。したがって、それらをすべて一度に監視できれば、何かが起こったらすぐに情報を得ることができるでしょう」 。」

断層が破壊すると、さまざまな種類の地震波が発生します。 主要な波である P 波は、毎秒 6.0 マイルで伝わります。 これらは住宅やその他のインフラに大きなダメージを与えるわけではありません。 二次波、つまり S 波は、秒速 4.4 マイルで伝わり、より被害が大きくなります。 さらに破壊的なのは表面波で、S 波とほぼ同じ速度か、それより少し遅い速度で移動します。 これらは地表に沿って引き裂かれ、地面の劇的な変形につながります。 (エネルギーが地表に沿った比較的平らな面に集中するのに対し、P 波と S 波はより三次元的に地下に広がり、エネルギーを分散させるため、特に破壊的です。)

米国地質調査所の ShakeAlert などの既存の緊急地震警報システムは、地震波の速度の違いを利用するために地震計を使用しています。 ShakeAlert は、カリフォルニア、オレゴン、ワシントンにまたがる約 1,400 の地震観測所で構成されており、さらに 300 近くを追加する予定です。 これらは、高速で移動する P 波を監視し、より有害な S 波や表面波が途中で発生することを事前に警告します。 地震が発生し、少なくとも 4 つの別々のステーションがそのイベントを検出すると、その信号がデータ センターに送信されます。 システムのアルゴリズムが揺れがマグニチュード5を超えると判断した場合、緊急警報が作動し、地元住民の携帯電話に送信される。 (Google との ShakeAlert パートナーシップのおかげで、マグニチュードが 4.5 を超える場合、Android ユーザーに通知が送信されます。)

ジェレミー・ホワイト

エミリー・マリン

ウィル・ナイト

WIREDスタッフ

最新の通信機器を介したデータのやり取りはすべて、破壊的な地震波の伝播よりもはるかに速い、光の速度 (毎秒約 186,000 マイル) で行われます。 しかし、住民がどれだけの警告を受けるかは、震源地からどれだけ離れているかによって異なります。 彼らがその頂上にいる場合、震えを感じる前に警報を受け取るには十分な時間がありません。 雷雨のようなものだと考えてください。稲妻に近づくほど、雷の音は早く聞こえます。

「すべてが非常に速く起こります」と、USGS 地震科学センターの ShakeAlert 運用チームのメンバーである Robert-Michael de Groot 氏は言います。 「十分に離れていれば、数秒間は待つことができるでしょう。そして、それは、緊急地震速報が存在する前よりも優れています。基本的に、何かが起こっていることを知る唯一の信号は地面が揺れることでした。」

その数秒で、人々は子供たちを集めてテーブルの下に入ることができます。 ShakeAlert は基本的に地震、少なくとも人間が地上で激しい揺れとして経験する地震の一部を上回ります。 「これはレースだ」とデ・グルートは言う。 「人々は衝撃などを感じるかもしれないが、激しい揺れが来たときに警報が発せられ、人々が所定の位置に着いていればよいのだが。」

DAS は ShakeAlert と同じ原理で動作しますが、P 波を監視する地震計の代わりに広大な光ファイバー ケーブルを使用する点が異なります。 科学者は、未使用のケーブルに質問器と呼ばれる装置を取り付ける許可を得ることができます。 (通信会社は、最終的に必要以上の金額を敷設することがよくあります。) この装置は、ワイヤーにレーザー パルスを発射し、ファイバーが妨害されたときに反射する小さな光を分析します。 科学者は光の速度を知っているため、信号が質問器に戻るまでにかかった時間に基づいて外乱を正確に特定できます。

DAS は、地震計のように 1 点で地震測定を行うのではなく、1 つの巨大な地震センサーを形成する数マイルの長さの糸のようなものです。 地域内に多数のケーブルがジグザグに配置されている場合は、なおさらです。 「DAS の大きな利点の 1 つは、実際には多くのケーブルがすでに存在しているため、すぐに利用できることです」とシカゴ大学の地震学者 Sunyoung Park 氏は言います。

DAS は、光ファイバーケーブルが下に伸びている田舎など、適切な地震観測所がない場所でもデータを収集できる可能性があります。 これらのケーブルは海中にもあり、海岸線に沿って走り、海を越えて大陸を結んでいるため、そこでも地震を感知する可能性があります。 このような長い距離の場合、研究者らは「リピータ」を使用します。これは、信号をブーストするケーブルに沿って約 40 マイルごとにすでに配置されているデバイスです。 この場合、質問機に反射して戻ってくる光を分析するのではなく、各中継器に到達する信号を分析します。

昨年、科学者らは、英国からカナダまで伸びるケーブルを使用して、ペルーに至るまでの地震を検出した方法を説明した。 この技術は非常に感度が高く、ケーブルが潮の動きさえも感知したため、水中地震によって発生する津波の検出にも使用できる可能性があります。

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そして先月、科学誌「サイエンティフィック・リポート」で、別の研究者チームがチリ、ギリシャ、フランスの沖合で地震を検知するために海底ケーブルをどのように使用したかについて説明した。 彼らはこのデータを同じイベントを監視した地震計のデータと比較し、よく一致しました。 イスラエルのヘブライ大学の地震学者で論文の筆頭著者であるイツァーク・リオール氏は、「地震が起きている間に、光ファイバーを使って記録された信号をリアルタイムで分析し、地震の規模を推定することができる」と語る。 「ここでの大きな変化は、ファイバーに沿って 10 メートルごとにマグニチュードを推定できることです。」

従来の地震計は単一点で測定するため、大型車両の通過によって引き起こされるような局所的なデータ ノイズによって乱れてしまう可能性があります。 「ファイバーがあれば、地震とノイズを非常に簡単に区別できるのです。なぜなら、地震は数百メートルにわたってほぼ瞬時に記録されるからです」とリオル氏は言う。 「車や電車などの局所的な騒音源であれば、数十メートル離れたところでしか目に入りません。」

基本的に、DAS は地震データの解像度を大幅に向上させます。 だからといって、これがこれらの高精度の機器に代わるものになるというわけではなく、むしろそれらを補完するものになります。 全体的なアイデアは、より多くの地震探知機を震源地に近づけて、カバー範囲を改善することです。 「その意味では、地震計や DAS があるかどうかはあまり重要ではありません」とリオル氏は言います。 「地震に近ければ近いほど良いです。」

そして、DAS 研究には対処すべきいくつかの課題があります。特に、光ファイバー ケーブルは地震活動を検出するように設計されておらず、情報をやり取りするように設計されているということです。 「DAS ケーブルの問題の 1 つは、ケーブルが必ずしも地面にいわゆる『適切に接続』されていないことです」と Park 氏は言います。つまり、適切な地震計が微調整され、適切な位置に設置されている一方で、線が配管内に緩く敷設されているだけかもしれないということです。ゴロゴロ音を検出します。 科学者たちは、ケーブルがどのように地下に敷設されているかに応じて、ケーブルのデータ収集がどのように変化するかを研究しています。 しかし、特に都市部では、非常に長い距離に光ファイバーが敷かれているため、科学者には多くの選択肢があります。 「非常に密度が高いので、扱うべきデータがたくさんあります」と Park 氏は言います。

テルアビブ大学で DAS を研究している地球物理学者のアリエル・ルルーシュ氏によると、もう 1 つの障害は、光ファイバーにレーザー パルスを継続的に発射し、尋問官に返される内容を分析することで、解析すべき膨大な量の情報が生成されることです。 「膨大な量のデータを取得し、処理するということは、おそらく現場で多くの作業を行う必要があることを意味します」とルルーシュ氏は言います。 「つまり、すべてのデータをインターネットにアップロードして、それを集中管理された場所で処理する余裕はありません。なぜなら、アップロードする頃には、地震ははるか遠くを通り過ぎているはずだからです。」

将来的には、その処理が実際に質問機自体で行われ、継続的に動作する検出器のネットワークが作成される可能性があります。 インターネットをもたらすのと同じ光ファイバーが、地震に備えるための貴重な追加の警告を数秒間もたらしてくれる可能性は十分にあります。