ETH-Zurich、地震とツナミを光ファイバネットワークで計測

January, 12, 2024, Zurich--チューリッヒ工科大学（ETH-Zurich）の地球物理学者は、マグニチュード3.9の地震の波は、光ファイバネットワークのノイズ抑制システムに登録されることを示した。この手法により、クローズメッシュ型の地震・津波早期警戒システムを低コストで構築することができる。

スイスのような裕福な国では、地震観測所の密集したネットワークを持つことは当然のことである[AF1] 。これは、発展途上国や世界の海底には当てはまらない。貧しい地域では必要な数のセンサを設置する資金が不足しているが、海洋では、水深数千メートルで最小の圧力変化を確実に測定し、データ信号を地表に届けることができる複雑なシステムを必要としている。

ノイズ対策データの二次利用
スイス連邦工科大学チューリッヒ校（ETH-Zurich）の地球物理学研究所の科学チームは、スイス連邦計量研究所(METAS)と共同で、海底や発展途上国でも正確な地震測定を可能にする驚くべき安価な方法を発見した。
「われわれは、既存の光ファイバインフラがすでに実行している機能を活用している。アクティブノイズ抑制システムから振動データを取得し、光データ通信における信号の精度を高める役割を担っている」と、地球物理学教授Andreas Fichtnerは説明している。必要なのは、アクティブなノイズ抑制データを保存して評価することだけであり、追加のデバイスや高価なインフラストラクチャは必要ない。

振動の「ノイズ」が消える
アクティブ位相ノイズキャンセリング(PNC)が地震の揺れをどのように測定できるかを理解するには、周囲のノイズをほぼ完全に消失させる今日のハイエンドヘッドフォンのノイズ抑制システムと比較することが役立つ。これらのヘッドホンは、外部ノイズを拾うマイクを備えている。この信号は反転され、実質的にリアルタイムでオーディオ信号に供給される。位相反転信号は、外部ノイズを1対1で打ち消し、聞き取れなくする。

光データ通信システムのPNCでは、光ファイバの「周囲ノイズ」は、最初に送信された信号とレシーバで反射された部分的な信号を比較することによって決定される。2つの信号の差は、光信号が光ファイバを通過する途中で曝露された干渉を示している。ヘッドホンのノイズ抑制と同様に、この干渉は適切なアンチシグナルを使用してキャンセルできる。

変形により、周波数の変化は最小限になる
光データ伝送では、光ファイバがわずか数µmで摂動されたときに「ノイズ」が発生する。これは、地震、水波、気圧の違い、人間の活動による地表の変形に応答して発生する。変形するたびに、ファイバがわずかに短くなったり長くなったりする。これにより、光弾性効果と呼ばれる現象が発生し、ファイバ内の光の速度がわずかに変動する。

ファイバ長の変化と光速の変動は、どちらも光信号の周波数をわずかな要因で変化させる。この現象は数年前から知られており、振動を測定するための特別な計測機器ですでに使用されている。

しかし、ETHとMETASの科学者が調査したスイスの原子時計インフラの光ファイバ通信におけるノイズ抑制システムの場合、そのような追加の機器は不要であり、時報の補正から変形を簡単に読み取ることができる。これにより、信号の波長がテラヘルツ範囲(10^12振動数/秒)は数百ヘルツ、つまり10億分の1程度である。

スイス地震サービスと完全一致
これらの変化は小さいかも知れないが、観測期間中に光ファイバケーブルが受ける振動を非常に明確に示している。「バーゼルとベルンのMETASの原子時計サイトを結ぶ光ファイバリンクのPNCを使用して、アルザスで発生したマグニチュード3.9の地震のすべての波を詳細に追跡することができた。しかし、さらに良いことに、われわれのデータに基づく地震のモデルは、スイス地震サービスが行った測定値と非常に正確に一致していた」（Fichtner）。

このほぼ正確な一致は、PNCデータを使用して、地震の位置、深さ、マグニチュードを高い精度で決定できることを示している。「これは、包括的な津波警報や、世界の発展途上地域で発生する地震にとって、特に興味深いものである」（Fichtner）。

独立した研究のためのETHの資金提供の結実
Fichtnerにとって、新しい手法がどのように開発されたかという話も模範的である。このアイデアは、ETHの研究者とMETASの専門家との議論から生まれた。ETH-METASチームは、PNCデータの可能性を認識するとすぐに、このアイデアを直ちに実行に移した。「驚くべき科学が生まれるには、予め決められた目標を追求しない研究活動に利用できる資金が必要だ。ETHはそのようなプロジェクトに最適だ。他の多くの大学とは対照的に、ここでは研究者として無制限の資金が利用できる」と、Fichtnerはコメントしている。