26 de enero de 2023

La fibra óptica le toma el pulso al planeta

Carolyn Wilke
Knowable en español

Andreas Fichtner saca un cable de su funda protectora, dejando al descubierto un núcleo de vidrio más fino que un cabello —una frágil fibra de 4 kilómetros de longitud que está a punto de fusionarse con otra—. Es una tarea complicada, más adecuada para un laboratorio, pero Fichtner y su colega Sara Klaasen la llevan a cabo sobre una capa de hielo ventosa y gélida.

Tras un día de trabajo, han empalmado tres segmentos, creando un cable de 12,5 kilómetros de longitud. Permanecerá enterrado en la nieve y espiará la actividad del Grímsvötn, un peligroso volcán islandés cubierto de glaciares.

Más tarde, sentados en una cabaña sobre el hielo, el equipo de Fichtner observa cómo los murmullos sísmicos del volcán que tienen debajo pasan por la pantalla de una computadora: temblores demasiado pequeños para ser percibidos, pero que la fibra óptica capta con facilidad. “Podíamos verlos justo debajo de nuestros pies”, dice. “Estás sentado allí y sientes el latido del corazón del volcán”.

Fotografía de una mujer y un hombre, ambos con guantes azules y ropa acolchada, sentados en un vehículo empalmando cables. Hay una gran bobina de cable en primer plano que están utilizando como mesa para su trabajo.
Los investigadores Sara Klaasen y Andreas Fichtner empalman fibras ópticas en la parte trasera de un vehículo sobre un glaciar islandés. Al igual que intentar unir dos cabellos, se trata de un trabajo complicado para unas manos frías en un entorno hostil. CRÉDITO: HILDUR JONSDOTTIR

Fichtner, geofísico de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich, forma parte de un grupo de investigadores que utilizan la fibra óptica para tomar el pulso a nuestro planeta. Gran parte de este trabajo se realiza en lugares remotos, desde la cima de los volcanes hasta el fondo de los mares, donde la vigilancia tradicional es demasiado costosa o difícil. Allí, en los últimos cinco años, la fibra óptica ha empezado a arrojar luz sobre los retumbos sísmicos, las corrientes oceánicas e, incluso, el comportamiento de animales.

La capa de hielo de Grímsvötn, por ejemplo, se asienta sobre un lago de agua descongelada por el calor del volcán. Los datos del nuevo cable revelan que el campo de hielo flotante sirve de altavoz natural, amplificando los temblores desde abajo. El trabajo sugiere una nueva forma de espiar la actividad de los volcanes que están recubiertos de hielo —y así captar los temblores que pueden anunciar erupciones—.

Como un radar, pero con luz

La técnica utilizada por el equipo de Fichtner se denomina detección acústica distribuida, o DAD. “Es casi como un radar en la fibra”, dice el físico Giuseppe Marra, del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido en Teddington, Inglaterra. Mientras que el radar utiliza las ondas de radio reflejadas para localizar objetos, la detección acústica distribuida utiliza la luz reflejada para detectar acontecimientos, desde la actividad sísmica hasta el tráfico en movimiento, y determinar dónde se han producido.

Funciona así: una fuente láser situada en un extremo de la fibra dispara pulsos cortos de luz; a medida que un pulso se desplaza a lo largo de la fibra, la mayor parte de su luz continúa hacia adelante, pero una fracción de los fotones de la luz choca con defectos intrínsecos de la fibra —puntos de densidad anormal—. Estos fotones se dispersan, algunos de ellos viajan de vuelta a la fuente, donde un detector analiza esta luz reflejada en busca de pistas sobre lo que ha ocurrido a lo largo de la fibra.

Una fibra óptica para la detección acústica distribuida suele extenderse de varios a decenas de kilómetros, y se mueve o se dobla en respuesta a las perturbaciones del entorno. “Se menea cuando pasan los automóviles, cuando se producen terremotos, cuando se mueven las placas tectónicas”, dice el científico de la tierra Nate Lindsey, coautor de un artículo de 2021 sobre la fibra óptica para la sismología en el Annual Review of Earth and Planetary Sciences. Esos meneos cambian la señal de luz reflejada y permiten a los investigadores extraer información como la forma en que un terremoto ha doblado un cable en un punto determinado.

Un cable óptico capta las vibraciones, por ejemplo, de los temblores sísmicos en toda su longitud. En cambio, un sensor sísmico típico, o sismómetro, transmite la información de un solo punto. Y los sismómetros pueden ser costosos de desplegar y difíciles de mantener, dice Lindsey, que trabaja en una empresa llamada FiberSense que utiliza redes de fibra óptica para aplicaciones en entornos urbanos.

La detección acústica distribuida puede proporcionar una resolución de aproximadamente un metro, convirtiendo una fibra de 10 kilómetros en algo así como 10.000 sensores, dice Lindsey. En ocasiones, los investigadores pueden aprovechar los cables de telecomunicaciones existentes o desmantelados. En 2018, por ejemplo, un grupo que incluía a Lindsey, que entonces estaba en la UC Berkeley y en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, convirtió un cable de 20 kilómetros operado por el Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey — que normalmente se utiliza para filmar corales, gusanos y ballenas— en un sensor de detección acústica distribuida mientras el sistema estaba fuera de servicio por mantenimiento.

“La capacidad de sumergirse en el lecho marino a lo largo de decenas de kilómetros —es notable que se pueda hacer eso—”, dice Lindsey. “Históricamente, desplegar un sensor en el fondo marino puede costar $10 millones de dólares”.

A lo largo de sus cuatro días de mediciones, el equipo captó un terremoto de 3,4 grados de magnitud que sacudió el suelo a unos 30 kilómetros de distancia, en Gilroy, California. Para el equipo de Lindsey fue un golpe de suerte. Los científicos de la tierra pueden utilizar las señales sísmicas de los terremotos para hacerse una idea de la estructura del terreno que ha atravesado el sismo, y las señales del cable de fibra óptica permitieron al equipo identificar varias fallas submarinas desconocidas hasta entonces. “Estamos utilizando esa energía para, básicamente, aclarar la estructura de la falla de San Andrés”, dice Lindsey.

Espiar a las ciudades y a los cetáceos

La detección acústica distribuida fue pionera en la industria del petróleo y el gas para controlar los pozos y detectar el gas en las perforaciones, pero los investigadores han ido encontrando una variedad de otros usos para la técnica. Además de los terremotos, se ha aprovechado para vigilar el tráfico y el ruido de la construcción en las ciudades. En metrópolis densamente pobladas con importantes riesgos sísmicos, como Estambul, la detección acústica distribuida podría ayudar a cartografiar los sedimentos y las rocas del subsuelo para revelar qué zonas serían las más peligrosas durante un gran terremoto, afirma Fichtner. Un estudio reciente incluso demostró que se pudo escuchar el canto de las ballenas mediante un cable óptico del fondo marino cerca de Noruega.

Pero la detección acústica distribuida tiene algunas limitaciones. Es difícil obtener buenos datos de fibras de más de 100 kilómetros. Los mismos defectos de los cables que hacen que la luz se disperse —produciendo la luz reflejada que es medida— pueden mermar la señal de la fuente. Con la suficiente distancia recorrida, el pulso original se perdería por completo.

Pero un método más novedoso y relacionado puede proporcionar una respuesta —y quizás permitir a los investigadores espiar un fondo marino en su mayor parte no vigilado, utilizando los cables existentes que transportan los datos de miles de millones de correos electrónicos y de las descargas de streaming—.

En 2016, el equipo de Marra buscó una forma de comparar la medición del tiempo de relojes atómicos ultraprecisos en puntos distantes de Europa. Las comunicaciones por satélite son demasiado lentas para este trabajo, así que los investigadores recurrieron a cables ópticos enterrados en su lugar. Al principio, no funcionó: las perturbaciones ambientales introducían demasiado ruido en los mensajes que el equipo enviaba por los cables. Pero los científicos percibieron una oportunidad. “Ese ruido del que queremos deshacernos contiene en realidad información muy interesante”, dice Marra.

Utilizando métodos de última generación para medir la frecuencia de las ondas de luz que rebotan a lo largo del cable de fibra óptica, Marra y sus colegas examinaron el ruido y descubrieron que —al igual que la detección acústica distribuida— su técnica detectaba acontecimientos como los terremotos a través de los cambios en las frecuencias de la luz.

Fotografía de dos trabajadores abrigados que sostienen un gran carrete y desenrollan el cable en la nieve.
En un glaciar sobre el volcán Grímsvötn de Islandia, Andreas Fichtner y Sara Klaasen desenrollan una bobina de cable de fibra óptica. Eventualmente tenderán unos 12 kilómetros del cable para la detección acústica distribuida. CRÉDITO: KRISTIN JONSDOTTIR

Sin embargo, en lugar de pulsos, utilizan un haz continuo de luz láser. Y a diferencia de la detección acústica distribuida, la luz láser viaja de ida y vuelta en un bucle; entonces los investigadores comparan la luz que vuelve con la que enviaron. Cuando no hay perturbaciones en el cable, esas dos señales son iguales. Pero si el calor o las vibraciones del entorno perturban el cable, la frecuencia de la luz cambia.

Con su fuente de luz de grado de investigación y la medición de una gran cantidad de la luz emitida inicialmente —en contraposición a lo que se refleja—, este enfoque funciona en distancias más largas que la detección acústica distribuida. En 2018, el equipo de Marra demostró que podía detectar terremotos con cables de fibra óptica submarinos y subterráneos de hasta 535 kilómetros de longitud, superando con creces el límite de la detección acústica distribuida de unos 100 kilómetros.

Esto ofrece una forma de vigilar las profundidades del océano y los sistemas de la Tierra que suelen ser difíciles de alcanzar y que rara vez se rastrean con los sensores tradicionales. Un cable que discurra cerca del epicentro de un terremoto en alta mar podría mejorar las mediciones sísmicas en tierra, proporcionando quizás minutos más de tiempo para que la gente se prepare para un tsunami y tome decisiones, dice Marra. Y la capacidad de percibir cambios en la presión del fondo marino podría abrir la puerta a la detección directa de tsunamis también.

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En Grímsvötn, un equipo de investigación se prepara para desplegar un cable en un campo de hielo flotante en la caldera del volcán. Los datos de ese cable han revelado que el campo de hielo actúa como un altavoz, amplificando los temblores sísmicos desde abajo.

CREDIT: ANDREAS FICHTNER

A finales de 2021, el equipo de Marra consiguió detectar la sismicidad a través del Atlántico en un cable óptico de 5.860 kilómetros que discurre por el fondo marino entre Halifax, en Canadá, y Southport, en Inglaterra. Y lo hicieron con una resolución mucho mayor que antes, porque mientras que las mediciones anteriores se basaban en las señales acumuladas a lo largo de todo el cable submarino, este trabajo analizó los cambios de luz en tramos de unos 90 kilómetros entre los repetidores que amplifican la señal.

Las fluctuaciones en la intensidad de la señal captada en el cable transatlántico parecen ser corrientes de marea. “Se trata esencialmente de que el cable se rasguea como una cuerda de guitarra a medida que las corrientes suben y bajan”, dice Marra. Aunque es fácil observar las corrientes en la superficie, las observaciones del fondo marino pueden mejorar la comprensión de la circulación oceánica y su papel en el clima mundial, añade.

Hasta ahora, el equipo de Marra es el único que utiliza este método. Están trabajando en facilitar su despliegue y en proporcionar fuentes de luz más accesibles.

Los investigadores siguen llevando las técnicas de detección basadas en fibras ópticas a nuevas fronteras. A principios de este año, Fichtner y un colega viajaron a Groenlandia, donde el Proyecto del Núcleo de Hielo de Groenlandia Oriental está perforando un pozo profundo en la capa de hielo para extraer un núcleo de hielo. Seguidamente, el equipo de Fichtner hizo bajar, a mano, un cable de fibra óptica 1.500 metros —y captó una cascada de terremotos de hielo, estruendos que resultan del roce entre el lecho de roca y la capa de hielo—.

Los terremotos de hielo pueden deformar las capas de hielo y contribuir a su flujo hacia el mar. Pero hasta ahora los investigadores no habían podido investigar cómo se producen: son invisibles en la superficie. Quizá la fibra óptica saque por fin a la luz sus procesos ocultos.

Artículo traducido por Debbie Ponchner

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