Telekomunikační kabely jako nástroj pro snímkování podloží

Většina lidí si při slově „optické vlákno“ představí telekomunikace a přístup k internetu. Optická vlákna – tenké vlákna ze skla nebo plastu umožňující přenos světla – se však dají využít i jinak: k zobrazování podloží.

Hilary Chang, doktorandka na katedře věd o Zemi, atmosféře a planetárních vědách (EAPS) MIT, nedávno s úspěchem použila síť optických kabelů MIT k vytvoření obrazu podloží kampusu. Metoda se nazývá distribuované akustické snímání (DAS). Využitím stávající infrastruktury se DAS stává efektivním a účinným způsobem k pochopení složení půdy, což je zásadní pro posouzení seismického rizika daných oblastí, tedy jak moc jsou ohroženy zemětřesením.

„Dokázali jsme extrahovat velmi pěkné, soudržné vlny z okolí a pak je použít k získání informací o podloží,“ říká Chang, hlavní autorka nedávno publikovaného článku popisujícího její práci, na kterém spolupracovala s hlavním výzkumným pracovníkem EAPS, Norim Nakatom.

„Tmavá“ vlákna

Optický systém kampusu MIT, instalovaný v letech 2000 až 2003, slouží k internímu přenosu dat mezi laboratořemi a budovami, jakož i k externímu přenosu, například k univerzitní síti (MITNet). Na kampusu jsou tři hlavní uzly kabelů, z nichž se vedení rozbíhají do budov a pod zemí, podobně jako pavučina.

Síť přiděluje určitý počet vláken na budovu, z nichž některá jsou „tmavá vlákna“, tedy kabely, které aktivně nepřenášejí informace. Každý kampusový optický uzel má redundantní hlavní kabely mezi sebou, takže v případě selhání se přenos sítě může bez ztráty síťových služeb přepnout na tmavá vlákna.

DAS dokáže využít stávající telekomunikační kabely a okolní vlnová pole k extrakci informací o materiálech, kterými procházejí. Díky tomu je to cenný nástroj pro místa jako města nebo oceánské dno, kde nelze rozmístit konvenční senzory. Chang, která studuje vlny zemětřesení a informace, které z nich lze získat, se rozhodla vyzkoušet tuto metodu na kampusu MIT.

Aby získala přístup k optické síti pro experiment, oslovila Johna Morgantea, manažera inženýrství infrastrukturních projektů v IT oddělení MIT (IS&T). Morgante pracuje v MIT od roku 1998 a podílel se na původním projektu instalace optické sítě, a proto dokázal poskytnout osobní pohled na výběr trasy.

„Bylo zajímavé poslouchat, co se snaží svými testy dosáhnout,“ říká Morgante. I když IS&T již dříve spolupracovala se studenty na různých projektech zahrnujících školní síť, řekl, že „v oblasti fyzické budovy je to poprvé, co si pamatuji, že jsme skutečně spolupracovali na společném experimentu.“

Rozhodli se pro trasu začínající v uzlu v budově 24, protože to byla nejdelší trasa, která vedla výhradně pod zemí; nadzemní dráty procházející budovami by nefungovaly, protože nebyly uzemněny, a proto byly pro experiment nepoužitelné. Trasa vedla od východu na západ, začínala v budově 24, procházela pod částí Massachusetts Ave., pod částmi Amherst a Vassar Street a končila v budově W92.

„[Morgante] byl velmi nápomocný,“ říká Chang a popisuje to jako „velmi dobrou zkušenost se spoluprací s IT týmem kampusu.“

Lokalizace kabelů

Po pronájmu interrogátoru, zařízení, které vysílá laserové impulsy k detekci okolních vibrací podél optických kabelů, dostala Chang a skupina dobrovolníků zvláštní přístup k jeho připojení k uzlu v budově 24. Nechali ho běžet pět dní.

Aby ověřila trasu a ujistila se, že interrogátor funguje, provedla Chang test poklepem, při kterém několikrát udeřila kladivem do země, aby zaznamenala přesné GPS souřadnice kabelu. Vhodně je podzemní trasa označena revizními šachtami, které slouží jako dobrá místa pro provedení testu. A protože potřebovala, aby bylo prostředí co nejtišší pro sběr čistých dat, musela to dělat kolem 2. hodiny ráno.

„Udáral jsem vedle koleje a někdo křičel ‚zavři hubu‘, pravděpodobně proto, že je rány kladivem probudily,“ vzpomíná Chang. „Omlouvala jsem se.“ Naštěstí musela klepat jen na několika místech a zbytek poloh mohla interpolovat.

Během dne Chang a její spolužáci – Denzel Segbefia, Congcong Yuan a Jared Bryan – provedli další test s geofony, dalším přístrojem, který detekuje seismické vlny, na Brigg's Field, kde kabel procházel pod ním, aby porovnali signály. Pro Chang to byla příjemná zkušenost; když se data shromažďovala v roce 2022, kampus se vyhrabal z pandemických opatření a stále se konaly částečně distanční kurzy. „Bylo skvělé mít všechny na poli a dělat něco rukama,“ říká.

Okolní hluk

Jakmile Chang shromáždila data, dokázala ve vlnách vidět mnoho environmentálních aktivit, včetně projíždějících aut, kol a dokonce i nočních průjezdů vlaku, který jezdí podél severního okraje kampusu.

Po identifikaci zdrojů hluku Chang a Nakata extrahovali soudržné povrchové vlny z okolního hluku a použili rychlosti vln spojené s různými frekvencemi k pochopení vlastností podloží, kterým kabely procházely. Tužší materiály umožňují vysoké rychlosti, zatímco měkčí materiál je zpomaluje.

„Zjistili jsme, že kampus MIT je postaven na měkkém materiálu překrývajícím relativně tvrdé podloží,“ říká Chang, což potvrzuje dříve známé, i když s nižším rozlišením, informace o geologii oblasti, které byly shromážděny pomocí seismometrů.

Takové informace jsou kritické pro oblasti náchylné k ničivým zemětřesením a dalším seismickým rizikům, včetně státu Massachusetts, který zažil zemětřesení až tento minulý týden. Oblasti Bostonu a Cambridge charakterizované umělou náhradou během rychlé urbanizace jsou obzvlášť ohrožené, protože jejich podpovrchová struktura s větší pravděpodobností zesílí seismické frekvence a poškodí budovy. Tato neinvazivní metoda charakterizace lokality může pomoci zajistit, aby budovy splňovaly normy pro správnou úroveň seismického rizika.

„Ničivé seismické události se stávají a my musíme být připraveni,“ říká.