Cómo convertir cables submarinos en detectores de terremotos

Diversas investigaciones ya han demostrado que los grandes cables de comunicación óptica submarinos, utilizados actualmente para transmitir multitud de datos, se pueden utilizar como sensores para vigilar la actividad sísmica y otras perturbaciones en el fondo marino.

Sin embargo, las técnicas existentes suelen presentar limitaciones en cuanto a resolución espacial y sensibilidad, ya que toda la longitud de un cable –que puede abarcar miles de kilómetros– actúa como un único sensor.

Un nuevo método permite dividir los cables ópticos largos en en muchos segmentos o sensores individuales capaces de registrar perturbaciones como terremotos y corrientes oceánicas.

Ahora, un grupo internacional de científicos liderados desde el National Physical Laboratory (NPL) de Reino Unido ha desarrollado un método que convierte un cable óptico largo en muchos segmentos o sensores individuales capaces de registrar perturbaciones a su alrededor. De estas forma se pueden detectar y caracterizar mejor las vibraciones sísmicas submarinas y las corrientes oceánicas, según el estudio que publican en 'Science'.

Utilizando tecnología láser y realizando mediciones interferométricasen el extremo del cable, la técnica consiste en aprovechar los datos que llegan de sus numerosos repetidores –utilizados para amplificar las señales ópticas– y unas fibras especiales que los conectan.

"La velocidad de propagación de la luz en una fibra óptica se ve afectada, en una cantidad muy pequeña, por factores ambientales como vibraciones, variaciones de presión y temperatura, y gracias a la interferometría ultraestable, podemos detectar estos cambios extremadamente pequeños, como demostramos estudio anterior de 2018 para terremotos", explica a SINC el autor principal, Giuseppe Marra del NPL, quien subraya: "Y no se requiere ninguna modificación en la infraestructura de telecomunicaciones submarina".

Usar vía de retorno de repetidores

"Pero mientras que en aquel trabajo un cable actuaba como un único detector, en este nuevo estudio mostramos que puede actuar como un conjunto de detectores –continúa–. Lo hemos conseguido aprovechando la arquitectura de los cables modernos, que incluyen una vía de retorno en sus repetidores que nos permite ‘cortar’ el cable en secciones más pequeñas, cada una de las cuales actúa como un sensor".

Los operadores de estas largas conexiones transoceánicas utilizan las vías de retorno para supervisar periódicamente el estado de sus amplificadores ópticos. Las comprobaciones se suelen realizar de forma programada o en caso de avería, por lo que la mayor parte del tiempo estos canales quedan inutilizados y se podrían utilizar para la función que proponen los autores.

"Si esta nueva técnica se aplicara a un gran número de cables de todo el mundo, la red global existente podría convertirse en un gigantesco conjunto de miles de sensores ambientales para seísmos, pero también, como se muestra en este trabajo, para corrientes marinas y mareas", destaca Marra.

Los investigadores probaron su método en un enlace submarino de fibra óptica de 5.860 km de longitud que discurre entre el Reino Unido y Canadá, con repetidores aproximadamente cada 46 km. Hicieron las pruebas con algunos de ellos y lograron detectar varios movimientos sísmicos y corrientes oceánicas a lo largo del cable.

Los investigadores han probado su técnica en un cable submarino que une Reino Unido y Canadá. El número real de repetidores (128) se ha reducido en la figura a efectos ilustrativos. / G. Marra et al./Science

En concreto, localizaron el terremoto de magnitud 7,5 que sacudió el norte de Perú –a miles de kilómetros de distancia– el 28 de noviembre de 2021, y otro de magnitud 7,3 en el mar de Flores (Indonesia) el mes siguiente, el 14 de diciembre.

"Por ahora los terremotos y las corrientes son las principales aplicaciones", confirma el científico del NPL, "sin embargo, aunque todavía no lo hemos demostrado, la nueva técnica podría utilizarse en los sistemas de alerta de tsunamis y, posiblemente, para cartografiar las variaciones de la temperatura del fondo marino, lo que tiene implicaciones para el calentamiento global".

En un línea que conecta Reino Unido con Canadá se han detectado terremotos ocurridos en Perú e Indonesia, a miles de kilómetros de distancia.

Los autores reconocen que otras técnicas, como la detección acústica distribuida (DAS), utilizada recientemente en Canarias, también ofrecen una alta sensibilidad y resolución espacial como sensores ambientales, pero es un enfoque limitado a zonas costeras de hasta 100 km de la costa debido a la atenuación de la señal.

"El DAS funciona un poco como un radar: se lanzan pulsos láser en la fibra y se analizan las pequeñas reflexiones (debidas a las imperfecciones de la fibra), pero la señal reflejada es extremadamente baja y normalmente funciona hasta 50-80 km", explica Marra.

"En nuestra técnica, utilizamos la luz que se propaga hacia delante y se devuelve por un camino de retorno dentro del repetidor, y esto –concluye– hace que la señal devuelta sea un orden de magnitud mayor que la del DAS, lo que os permite alcanzar grandes distancias y tener una elevada relación señal/ruido para realizar mediciones ultraprecisas".

Referencia:

G. Marra et al. "Optical interferometry–based array of seafloor environmental sensors using a transoceanic submarine cable". 'Science', 2022