Unterwasser-Internetkabel können Erdbeben erkennen

Der Ozean bedeckt mehr als zwei Drittel der Erdoberfläche. Für Seismologen, Ozeanographen und andere, die die Bewegungen unseres Planeten kontinuierlich überwachen wollen, stellt diese Tatsache ein Problem dar. Die Meere können dunkle und trübe Orte sein, an denen wichtige Daten – über Dinge wie Erdbeben und seismische Gefahren – schwer zu bekommen sind.

Aber nur weil die Ozeane mysteriös sind, heißt das nicht, dass es ihnen an Infrastruktur mangelt: Zum einen die über 750.000 Meilen von Telekommunikationskabeln, die das Internet über Kontinente führen. Das wissen auch Wissenschaftler. Sie haben begonnen, mit dieser Infrastruktur zur Erkennung von Erdbeben zu spielen.

Ihr jüngster Schritt dabei: die Verwendung eines transatlantischen Kabels, um Erdbeben zu finden, wie sie es bereits getan haben ein Papier veröffentlicht in Wissenschaft am 20. Mai. Die Forscher, angeführt von Giuseppe Marra am britischen National Physical Laboratory, entdeckte zwei Erdbeben, von denen eines auf der halben Welt entstanden war.

„Wir haben nur sehr begrenzte Offshore-Sensorik. Sehr begrenzt. Es ist lächerlich, was wir haben“, sagt er Zack Spica, ein Seismologe an der University of Michigan, der nicht einer der Autoren dieses Artikels war. „Aber jetzt stellen wir fest, dass wir tatsächlich Tausende von möglichen Sensoren da draußen haben, also könnten wir möglicherweise anfangen, uns damit zu beschäftigen und zu beobachten, was vor sich geht.“

Heute haben Telekommunikationsunternehmen Glasfasern zu einem verwoben kompliziertes Netz über den Globus geworfen. Diese Kabel sind versteckte, aber entscheidende Komponenten, die das Internet zum Ticken bringen. Sie überbrücken nicht nur Hemisphären, sie bringen entscheidende Konnektivität in abgelegenere Teile der Welt.

(Fragen Sie einfach Tonga, dessen Kabelverbindung Anfang dieses Jahres durch einen Vulkanausbruch zerrissen wurde. Menschen und Hilfsmaßnahmen auf den Inseln oft musste sich verlassen auf schneckenartigem 2G-Satelliteninternet, bis das Kabel repariert wurde.)

Die Verwendung von Kabeln für Unterwassersensoren ist keine neue Idee. Zunächst wurde die Idee mit maßgeschneiderten, spezialisierten Kabeln verbunden. Die US-Marine spielte zu Beginn des Kalten Krieges mit ihnen, um sowjetische U-Boote aufzuspüren. Wissenschaftler in Kalifornien und Japan begannen in den 1960er Jahren damit, Kabel zur Erdbebenerkennung zu testen.

Aber die Installation spezifischer Geräte ist teuer, und im 21. Jahrhundert – unterstützt durch die zunehmende Akzeptanz der Telekommunikationsbranche für diese Idee – haben Wissenschaftler begonnen, Vorteile aus dem zu ziehen, was bereits vorhanden ist.

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Die vielleicht etablierteste Methode ist eine Technik, die als bekannt ist verteilte akustische Erfassung (DAS). Dazu schießen die Wissenschaftler kurze Lichtpulse aus einem Ende des Kabels. Wenn beispielsweise ein Erdbeben das Kabel erschüttert, reflektieren die Erschütterungen einen Teil dieses Lichts zurück zum Sender, der damit rekonstruieren kann, was wo passiert ist.

Viele Wissenschaftler haben sich DAS zu eigen gemacht, aber es hat eine entscheidende Einschränkung: Entfernung. Wenn sich Licht (oder ein anderes Signal) entlang einer Linie bewegt, wird es schwächer oder verliert an Stärke. Daher ist es schwierig, DAS zu verwenden, um über ein paar Dutzend Meilen hinaus zu erfassen. Das ist keine Kleinigkeit, aber was wäre, wenn Sie, sagen wir, in die Mitte des Ozeans blicken wollten, Tausende von Kilometern von der Küste entfernt?

Im Jahr 2021 führten Forscher durch Zhongwen Zhanein Seismologe am Caltech, eine andere Methode getestet auf Curie, einem Google-eigenen Kabel, das von Los Angeles nach Valaparaíso, Chile, parallel zur hochaktiven Pazifikküste Amerikas verläuft. Dieses Team untersuchte die Fingerabdrücke von Erdbeben im regelmäßigen Signalverkehr durch das Kabel.

Aber ihre Methode hatte einen Fehler: Sie konnten nicht sagen, wie weit entfernt etwas passiert war, nur dass es passiert war. „Sie haben Erdbeben entdeckt, aber … sie wussten nicht, woher sie kamen“, sagt Spica.

Wenn Sie mit Ihrem Freund im Ausland chatten, können sich Ihre Stimmen natürlich ohne Probleme erreichen. Das liegt daran, dass diese Kabel mit Geräten ausgestattet sind, die als Repeater bezeichnet werden. Wie Spieler in einem großen Telefonspiel (nur viel, viel zuverlässiger), nehmen Repeater ein eingehendes Signal und verstärken es, um es an das nächste weiterzuleiten.

Seit mehreren Jahren unterstützen einige Wissenschaftler einen Vorschlag namens SCHLAU, um neue Repeater auf zukünftigen Kabeln mit kostengünstigen seismischen, Druck- und Temperatursensoren auszustatten. Telekommunikationsunternehmen achten jetzt darauf: Ein SMART-Projekt – ein Kabel, das Portugals Festland mit seinen Atlantikinseln verbindet – soll 2025 in Betrieb gehen.

Die Unterwasser-Repeater von Meeresbodenkabeln haben jedoch bereits eine zweite Funktion: Um Kabelbetreibern bei der Lokalisierung potenzieller Probleme zu helfen, können die Repeater einen Teil ihres Signals zurücksenden.

Marra und seine Kollegen machten sich diese vorhandene Ausfallsicherheit zunutze. Sie schickten einen Infrarotlaser durch das Kabel und untersuchten die Signale, die von jedem Repeater zurückkehrten. Auf diese Weise konnten sie ein ozeanüberquerendes Kabel in mundgerechte Stücke von mehreren Dutzend Meilen Länge zerbrechen.

„Ich weiß, dass andere darüber nachgedacht haben, wie man das macht“, sagt er Bruce Howeein Ozeanograph an der Universität von Hawaii, der ebenfalls nicht an dieser Arbeit beteiligt war, „aber sie haben es getan“.

Marras Gruppe testete ihre Technik an einem transatlantischen Kabel, das zwischen Southport im Nordwesten Englands und Halifax im atlantischen Kanada verläuft. Sie waren in der Lage, nicht nur Erdbeben – eines aus dem Norden Perus und ein anderes aus ganz Indonesien – zu erkennen, sondern auch das Geräusch von Wasser, das sich im Ozean bewegt.

Es gibt ein paar Haken. Zum einen, sagt Howe, unterscheidet sich diese Art der Erkennung von dem, was Seismologen gewohnt sind. Marra und Kollegen konnten die Stärke eines Erdbebens noch nicht messen. Und es kann sich als schwierig erweisen, ein Erdbeben beispielsweise anhand von Änderungen der Meerestemperatur zu unterscheiden. Hier könnten mehrere Methoden – zum Beispiel diese neueste Technik plus SMART – zusammenarbeiten.

Viele Wissenschaftler sind vom Potenzial der Kabel begeistert. „Ich habe wirklich das Gefühl, dass die größten Durchbrüche sind [in seismology] werden Offshore durchgeführt, weil es so viel zu entdecken gibt“, sagt Spica. Sie könnten unsere Tsunami-Warnsysteme erheblich verbessern. Sie könnten Geologen helfen, an kaum erforschte Orte zu blicken, an denen tektonische Platten zusammenkommen oder sich auseinanderziehen, wie etwa mittelozeanische Rücken. Und sie könnten Ozeanographen dabei helfen, zu überwachen, was in den sich erwärmenden Ozeanen passiert.

„Geld ist wie immer das größte Hindernis“, sagt Howe, „aber die jüngsten Fortschritte deuten darauf hin, dass wir dieses Problem überwinden können.“

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