Glasfaserkabel können Erdbeben erkennen

23. November 2023 um 15:16
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Foto: Compare Fibre / Unsplash

Geophysiker der ETH Zürich haben eine Methode entwickelt, mit der sich aus der bestehenden Infrastruktur ein kostengünstiges Frühwarnsystem aufbauen lässt.

Ein dichtes Netz von Erdbebenmessstationen ist in reichen Ländern wie der Schweiz eine Selbstverständlichkeit. In weniger entwickelten Staaten und auf dem Grund der Weltmeere ist das jedoch nicht der Fall. Während in ärmeren Gegenden das Geld für die nötige Anzahl an Sensoren fehlt, müssen in den Ozeanen aufwändige Systeme installiert werden, um minimale Druck­ver­änderungen in Tausenden Metern Tiefe zuverlässig zu messen und die Daten­signale an die Meeresoberfläche zu bringen.

Zweitverwertung von Daten

Forschende vom Institut für Geophysik der ETH Zürich haben jetzt in Zusammenarbeit mit dem Eidgenössischen Institut für Metrologie (Metas) eine kostengünstige Methode erarbeitet, mit der Erdbebenmessungen auch am Ozeanboden und in weniger entwickelten Ländern möglich werden.
"Wir nutzen eine Funktion der bestehenden Glasfaserinfrastruktur und gewinnen die Erschütterungsdaten aus der aktiven Rauschunterdrückung, die in der optischen Datenkommunikation die Genauigkeit der Signale erhöht", erklärt Geophysikprofessor Andreas Fichtner. Die Daten der aktiven Rausch­unterdrückung müssen dafür lediglich gespeichert und ausgewertet werden. Dazu sind weder zusätzliche Geräte noch eine zusätzliche Infrastruktur nötig.

Lärm wird aufgelöst

Um zu verstehen, wie die Active Phase Noise Cancellation (PNC) in den Kabeln Erderschütterungen messen kann, hilft ein Vergleich mit Rauschunter­drückungs­systemen von Kopfhörern, die den Umgebungslärm nahezu vollständig ausblenden. Bei diesen nehmen Mikrofone die Aussengeräusche auf und produzieren in Echtzeit ein Gegensignal. Dieses künstlich erzeugte Gegensignal hebt dann die Aussengeräusche auf und macht sie so unhörbar.
Im PNC eines optischen Datenkommunikationssystems wird der "Umgebungs­lärm" in der Glasfaser durch den Vergleich des ursprünglich gesendeten Signals mit einem Teilsignal, das vom Empfänger reflektiert wird, bestimmt. Die Differenz zwischen den beiden Signalen zeigt dann die Störungen an, denen das Lichtsignal auf seinem Weg durch die Glasfaser ausgesetzt war. Genau wie bei der Rauschunterdrückung in Kopfhörern können diese Störungen durch ein entsprechendes Gegensignal ausgelöscht werden.

Deformation verändert Frequenz

Die Störsignale in der optischen Datenübertragung entstehen durch mikro­meter­grosse Verformungen der Fasern. Sie sind die Folge von Deformationen der Erdoberfläche aufgrund von Erdbeben, Wasserwellen, Luftdruck­differenzen und menschlichen Aktivitäten. Dabei verkürzt oder verlängert jede Deformation die Faser geringfügig. Dies wiederum führt zu einem sogenannten fotoelastischen Effekt, der die Lichtgeschwindigkeit in der Faser minimal schwanken lässt.
Sowohl die Veränderungen der Faserlänge als auch die Schwankungen der Lichtgeschwindigkeit verändern die Frequenz des Lichtsignals um einen winzigen Faktor. Dieses Phänomen ist schon seit einigen Jahren bekannt und wurde bisher bereits mit speziellen Messinstrumenten zur Messung von Erschütterungen genutzt.
Erklärvideo zur Active Phase Noise Cancellation

Reale Anwendungsgebiete

Nahe Grindavik im Südwesten von Islands bebt seit Wochen die Erde. Die lokalen Behörden befürchten einen baldigen Vulkanausbruch und haben die Region deshalb evakuiert. Um Erdbebendaten aufzuzeichnen, haben Andreas Fichtner und seine Mitarbeitenden ein spezielles Messgerät nach Island gebracht und an ein Telekommunikationskabel angeschlossen. Die aufgezeichneten Daten werden live auf dem Youtube-Kanal der Gruppe Seismologie und Wellenphysik der ETH Zürich gestreamt. Sie zeigen die gemessenen Erschütterungen in Echtzeit.
Bei der von den ETH- und Metas-Forschenden untersuchten Rausch­unter­drückung der Glasfaserkommunikation der Schweizer Atomuhren-Infrastruktur sind solche zusätzlichen Messinstrumente überflüssig. Die Deformationen lassen sich einfach aus der Korrektur der Zeitsignale ablesen. Diese korrigiert die Wellenlänge des Signals im Terahertz-Bereich (1012 Schwingungen pro Sekunde) jeweils um einige hundert Hertz und damit um rund ein Zehntel Milliardstel.

Gleich exakt wie der Erdbebendienst

So klein die Änderungen sind, so klar ist das Bild, das sie von den Erschütter­ungen zeigen, denen die Glasfaserkabel während der Beobachtungszeit ausgesetzt sind. "Wir konnten im PNC der Glasfaserverbindung zwischen Basel und dem Atomuhrenstandort am Metas in Bern nicht nur jede einzelne Welle eines Erdbebens von Magnitude 3,9 im Elsass detailliert nachvollziehen", erklärt Fichtner: "Eine Modellierung des Bebens aufgrund unserer Daten entsprach auch äusserst exakt den Messungen des Schweizerischen Erdbebendienstes."
Diese Übereinstimmung zeigt, dass sich mit den PNC-Daten sowohl der Ort als auch die Tiefe und Stärke eines Bebens mit hoher Genauigkeit bestimmen lassen. "Das ist vor allem für eine lückenlose Tsunami-Warnung oder für die Erdbebenmessung in weniger entwickelten Regionen der Welt sehr interessant", sagt Fichtner.
Vorbildlich ist laut Fichtner auch die Entstehungsgeschichte der neuen Methode. Die Idee entstand aus einer Diskussion von ETH-Forschenden mit einem Spezialisten von Metas. Das Potenzial der Technologie wurde daraufhin erkannt und das Projekt in die Tat umgesetzt.

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