نشر نظام ألياف ضوئية تحت الماء للكشف المبكر عن موجات التسونامي

قال موقع "فيوتشيرتي" إن جامعة ميشيغان نشرت نظام تقييم أعماق المحيطات والإبلاغ عن موجات تسونامي أو ما يسمى اختصارا DART، الذي يتكون من عوامات متخصصة تراقب موجات تسونامي.

وتشرف الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي على هذه العوامات، وتبلغ تكلفة تركيب الواحد منها حوالي 500 ألف دولار، بالإضافة إلى 300 ألف دولار أخرى للصيانة سنويا. تنتشر اثنتان وثلاثون عوامة كشف في محيط المحيط الهادئ، ما يؤدي إلى صيانة تبلغ ملايين الدولارات سنويا، وهي صيانة مكلفة لكنها حيوية.

واستخدم عالم الزلازل زاك سبايكا من جامعة ميشيغان وزملاؤه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا تقنية تسمى الاستشعار الصوتي الموزع، أو DAS، للاستفادة من طريقة أرخص وأكثر انتشارا لمراقبة الكوارث الطبيعية؛ ما يقرب من مليون ميل من كابلات الألياف الضوئية التي تعبر قاع المحيط.

وقال سبايكا، الأستاذ المساعد في علوم الأرض والبيئة: "لقد قامت شركات الاتصالات بتركيب كابلات الألياف الضوئية هذه على مدار الثلاثين عاما الماضية، وأنفقت مئات المليارات من الدولارات للقيام بذلك. الآن، بفضل الضوئيات المتقدمة والقدرة الحاسوبية الكبيرة، يمكننا تحويل كابلات الألياف الضوئية إلى مصفوفات من أجهزة الاستشعار فائقة الكثافة وعالية الدقة".

تسونامي هي سلسلة من الموجات الضخمة الناجمة عن الإزاحة المفاجئة لمياه المحيط، التي تنتج عادة عن الحركة الأرضية المفاجئة لقاع البحر. يمكن أن تكون موجات تسونامي طفيفة، أو يمكن أن تكون مدمرة، مثل تسونامي المحيط الهندي عام 2004، والذي أودى بحياة ما يقرب من 228000 شخص.

وفي دراسة نشرت في Geophysical Research Letters، أظهر سبايكا وزملاؤه أن كابلات الألياف الضوئية يمكن استخدامها كنظام إنذار مبكر للتسونامي.

وقال سبايكا: "على عكس الزلازل التي تحدث فجأة ويصعب تجنبها، وعلى الرغم من وجود بعض أنظمة الإنذار المبكر، فإن موجات التسونامي عموما تستغرق وقتا أطول للتراكم والوصول إلى الساحل. وهذا يعني أن أنظمة الإنذار المبكر أكثر كفاءة في مواجهة التسونامي. ومع ذلك، فإن الأمر الصعب هو تقييم حجم التسونامي قبل أن يصل إلى الساحل. ولذلك، هناك حاجة إلى الأجهزة البحرية، وهو أمر مكلف ويصعب صيانتها".

اظهار أخبار متعلقة

وعلى مدى السنوات الخمس الماضية، قام سبايكا وزملاؤه الباحثون بتركيب وحدات استجواب DAS في شركات اتصالات الألياف الضوئية في ألاسكا واليابان وإسبانيا وبحيرة أونتاريو والتي تستفيد من كابلات الألياف الضوئية تحت الماء. وباستخدام أحد الأجهزة الموضوعة في فلورنسا بولاية أوريغون، تمكن الفريق من اكتشاف تسونامي نشأ في سلسلة جزر على بعد حوالي 1300 ميل شرق طرف أمريكا الجنوبية.

وقال سبايكا: "لقد كان هذا زلزالا كبيرا في جزر ساندويتش ونتج عنه تسونامي كبير. لم يكن حتى في نفس المحيط الذي كان فيه الكابل والجهاز الذي اكتشفناه عليه. وبحلول الوقت الذي وصل فيه التسونامي إلى ولايتي أوريغون وألاسكا، كان الجريان السطحي يبلغ بضعة سنتيمترات فقط، ولم يتسبب في أي ضرر".

تعمل تقنية DAS من خلال مراقبة الفوتونات – جزيئات الضوء – التي تنتقل عبر كابلات الألياف الضوئية. عندما ينتقل الضوء في موجة عبر الكابلات، تنكسر بعض الفوتونات عائدة إلى بداية الكابل. تنكسر هذه الفوتونات للخلف، وفي وقت معين، تتناسب كمية الضوء التي تصل إلى وحدة الاستجواب مع التشوه على طول الكابل.

استخدم الباحثون في البداية هذه الكابلات للكشف عن الزلازل. تطلق الزلازل كمية هائلة من الطاقة في فترة زمنية قصيرة جدا. يقول سبايكا إن السؤال الكبير هو ما إذا كانت الكابلات قادرة على اكتشاف الحركة الأكثر دقة لموجات التسونامي. يمكن أن تكون الفترة بين قمة الأمواج في التسونامي طويلة بشكل لا يصدق - تصل إلى عشرات الدقائق وعدة أميال بين قمم الأمواج.

يقول سبايكا: "تتمتع الزلازل بشكل عام بطاقة أعلى بكثير وتهتز بسرعة كبيرة، في حين أن موجات التسونامي لها موجات واسعة جدا. لذا كان السؤال هو: هل يمكننا استخدام هذه التقنيات لمراقبة الموجات الطويلة جدا؟"

الباحثون غير متأكدين من سمة التسونامي التي تسبب تغيرا في كابلات الألياف الضوئية. يمكن أن يؤدي التشوه الناجم عن الضغط الناتج عن الماء الزائد أعلى الكابلات إلى تمدد الألياف داخلها، ما يؤدي إلى تغيير كيفية انكسار الفوتونات. يمكن أن تسبب درجة الحرارة تغيرا مشابها، لكن يقول سبايكا إن هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث لتحديد كيفية تأثر الألياف بالضبط.

يمكن لنظام DAS أن يقدم لشركات الاتصالات استخداما بديلا لكابلات الألياف الضوئية في المستقبل، حيث تحل الأقمار الصناعية محل الكابلات كطريق رئيسي لتوصيل الإنترنت. يقول سبايكا إن الكابلات يمكن استخدامها للمراقبة العسكرية، وتتبع القوارب، وقياس الأمواج الداخلية، وتتبع درجات حرارة المحيطات، وللأبحاث حول تغير المناخ.

وبحسب سبايكا: "لقد سمعت شركات الاتصالات هذه عن هذا الاستشعار، لكن الأمر لا يزال مبكرا جدا. لكن إذا كنا نفكر على مستوى واسع .. على مدى السنوات الخمس عشرة المقبلة، فمن المحتمل أن يحاولوا إعادة الاستثمار في البنية التحتية الخاصة بهم".

وتعتمد هذه الدراسة على الأبحاث السابقة التي أجراها سبايكا لتحديد ما إذا كانت الألياف الضوئية يمكنها اكتشاف الحركات الأرضية الناتجة عن الزلازل. بعد ذلك، يقول سبايكا إن هناك حاجة إلى تطوير برنامج لنسخ المعلومات الخاصة بالكشف عن التسونامي من كابلات الألياف الضوئية في الوقت الفعلي.