Tjuvlytter på jordkloden med fiberoptiske kabler
Fiberoptiske kabler går på kryss og tvers i verdenshavene. Disse kablene kan bli et billig redskap for å overvåke mye av aktiviteten under vannflaten.
Sist sommer rapporterte en NTNU-ledet gruppe forskere at de for første gang kunne bruke fiberoptiske kabler for å overvåke hvaler i Arktis. Men de gir seg ikke med dette.
Forskerne mener nå at de fiberoptiske kablene kan brukes som et billig, globalt observasjonsverktøy som kan overvåke mye mer av det som skjer i verdenshavene.
Over 1,2 millioner kilometer fiberoptiske kabler ligger allerede rundt omkring i havene våre. De skal egentlig overføre telefonsamtaler, internettsignaler og andre data. Men nå kan kablene altså få en ny jobb i tillegg.
I sommer publiserte forskerne lyder av finnhvaler og blåhvaler som de for første gang hadde registrert ved hjelp av fiberoptiske kabler langs vestkysten av Svalbard. Men metoden kan også brukes for å overvåke noe enda større. Nemlig jorda selv.
– Å kombinere det verdensomspennende fiberoptiske nettverket med eksisterende fjernmålingssystemer som satellitter, kan skape et billig, globalt overvåkingsnettverk, sier Martin Landrø, professor i geoakustikk ved Institutt for elektroniske systemer ved NTNU.
Professor Landrø leder samtidig SFI-senteret Centre for Geophysical Forecasting.
– Dette kan bli et banebrytende fremskritt for havforskere, sier han.
Landrø var hovedforfatter av en artikkel om hvordan slike systemer kan fungere. Den er publisert i Nature Scientific Reports.
- Les også: De tjuvlytter på hvaler i Arktis
Små endringer i en fiber tykk som et hårstrå
Fiberoptiske kabler er ikke noe nytt. Om du leser dette på en datamaskin, er informasjonen antakelig bragt til deg gjennom fiberoptiske kabler. Men det som har endret seg er redskapene vi kan bruke for å få informasjon fra disse nettverkene.
Redskapet vi snakker om går under navnet «interrogator», eller «avhører» om du vil. Denne kan kobles til et fiberoptisk kabelnettverk for å sende en lyspuls gjennom kabelen. Hver gang en lydbølge eller en ekte bølge slår mot undervannskabelen, strekker fiberen seg bittelitt.
– Vi kan måle hvor mye fiberen strekker seg ekstremt presist, sier Landrø. – Denne teknologien har vi hatt lenge. Men den har utviklet seg mye de siste fem årene. Så nå kan vi bruke den til å overvåke og måle akustiske signaler over strekninger på 100 til 200 kilometer. Det er noe nytt.
Rekkevidden ennå en begrensning for fiberoptiske fremskritt
Landrøs lag inkluderer forskere fra Sikt, Kunnskapssektorens tjenesteleverandør, og Alcatel Submarine Networks Norway AS som har utviklet interrogatorene. I 2020 undersøkte de en 120 kilometer lang fiberoptisk kabel som strekker seg mellom Longyearbyen og Ny-Ålesund på Svalbard. Over 44 dager registrerte de 800 hvallyder. Teknikken kalles Distributed Acoustic Sensing (distribuert akustisk måling) eller DAS. Det kan du lese om her.
– Den fiberoptiske kabelen mellom Longyearbyen og Ny-Ålesund ble satt i drift i 2015 etter fem års planlegging og forarbeid. Den ble stort sett finansiert av myndighetene og skulle tjene forskningsformål og forskningsstasjonen i Ny-Ålesund med høy og motstandsdyktig kapasitet, har Olaf Schjelderup, leder for Forskningsnettet hos Sikt, sagt i en tidligere artikkel.
Schjelderup var også medforfatter på den nyeste artikkelen.
– DAS og eksperimentet med hvalene viser en helt ny bruk av denne typen fiberoptisk infrastruktur, som gir fremragende, unik vitenskap, sier Schjelderup.
Teknologien er god, men rekkevidden er fortsatt en begrensning. Håpet er at denne vil bli bedre etter hvert som teknologien blir bedre, sier Landrø.
– Selv om dagens interrogatorer ikke greier å registrere noe forbi forsterkerne som vanligvis brukes i fiberoptiske kabler, utvikler teknologien seg svært raskt. Vi forventer at vi snart kan overvinne disse begrensningene slik at rekkevidden kan bli lengre enn 100-200 km, sier Landrø.
Skip, jordskjelv og rare bølgemønstre
Mens de samlet inn hvallydene greide forskerne også å registrere skip som passerte over eller nær kabelen, flere jordskjelv og rare bølgemønstre som det etter hvert forsto skyldtes stormer langt unna.
Målingene var presise nok til at de kunne si nøyaktig hva slags hendelse som hadde funnet sted, blant annet et stort jordskjelv i Alaska, forteller Landrø.
– Vi registrerte mye skipstrafikk og mange jordskjelv. Det aller største fant sted i Alaska, sier han. – Det var et stort et. Vi så det langs hele kabelen på 120 kilometer. Vi så også at vi kunne detektere stormer langt unna.
Ett eksempel på hvordan systemet kunne registrere skip involverte «Norbjørn» et lasteskip som de fanget opp mens det krysset den fiberoptiske kabelen rundt 86,5 kilometer fra Longyearbyen. Forskerne kunne beregne skipets hastighet og posisjon basert på lydsignalene som ble oppfanget langs kabelen, og kunne deretter bekrefte den med skipets automatiske identifikasjonssystem.
- Les også: Redder store bygg med ørliten sensor
En nøkkelpublikasjon fra 1963
Til å begynne med var forskerne forvirret på grunn av et dusin serier av bølger som de detekterte gjennom overvåkingsperioden. Hver bølgeserie varte mellom 50 og 100 timer der bølgefrekvensen økte monotont etter hvert. Men til sist forsto de at de mystiske signalene kom fra stormer langt unna.
– Dette er de fysiske bølgene på havet, sier Landrø. De laveste bølgefrekvensene beveger seg raskest, fulgt av bølgene med høyere frekvens som kan komme opptil seks dager senere.
Dette er et mønster som ble funnet allerede i 1963 av oseanografen Walter Munk. Han publiserte en artikkel om emnet der han beskriver hvordan forskere kan finne ut hvor disse bølgene kommer fra ved å måle hvor fort frekvensen på bølgene endrer seg over tid.
Ved hjelp av slike beregninger kunne Landrøs lag identifisere den tropiske stormen Eduardo, som fant sted 4100 kilometer unna Svalbard i Mexicogulfen. De identifiserte også en stor storm utenfor Brasil, 13.000 kilometer unna kabelen på Svalbard.
Fiberoptiske kabler gir mer informasjon om jordskjelv
Geologer har allerede et nettverk av sensorer som hjelper dem med å overvåke og måle jordskjelv. Disse kalles seismometere. De er sensitive instrumenter og gir mye detaljert og presis informasjon enn fiberoptiske kabler.
Men seismometere er dyre og er ikke på langt nær så vidt utbredt som nettverket av fiberoptiske kabler. Ulempen med det fiberoptiske nettverket er at det er mye bakgrunnsstøy i det. Dette betyr at et signal fra et jordskjelv ikke fremstår like klart og sterkt mot bakgrunnsstøyen. Men fordelene er altså at det er så utbredt og at det allerede ligger klart, noe som betyr at det kan gi tilleggsinformasjon som seismometrene ikke kan gi.
– Tanken er altså ikke å erstatte det eksisterende systemet, men utfylle det. Spørsmålet blir hva vi kan lære fra en metode som har mer støy, men som er videre utbredt. Hvordan kan vi bruke denne informasjonen, selv om den har lavere kvalitet, til å lære mer om jordskjelv og egenskapene deres? sier Landrø.
Kan overvåke rørledninger for mulig sabotasje
Det kan også være at det fiberoptiske kabelnettverket kan brukes til å overvåke de undersjøiske rørledningene. Dette er spesielt viktig tatt i betraktning eksplosjonen i september som ødela rørledningene Nord Stream 1 og 2.
– Kan vi bruke den fiberoptiske teknologien for å overvåke og beskytte infrastrukturen på havbunnen? Det er et viktig spørsmål, sier han.
Utfordringen med rørledningene er at de lager støy når gassen strømmer gjennom dem.
– Med denne bakgrunnsstøyen må vi finne den naturlige variasjonen. Og når da noe kommer nær denne rørledningen må du finne ut hva som er terskelen. Når må vi handle og hva kan vi detektere? Det vet vi ikke, sier han. – Så planen er å teste dette.
Tanken er å greie å overvåke rørledninger kontinuerlig i sanntid for å se til at de er trygge. Allerede nå kan forskere strømme akustiske data i sanntid fra det fiberoptiske nettverket på Svalbard.
Under kan du se en kort video av en finnhval som kruset forbi kabelen. Bildet dukker opp og forsvinner på bunnen av videoen mot midten, og er egentlig et opptak av frekvensen på hvallyden rundt 20 Hz. Dette er en typisk frekvens for finnhval-lyder, og derfor kan forskere identifisere den.
Referanse: Landrø, M., Bouffaut, L., Kriesell, H.J. et al. Sensing whales, storms, ships and earthquakes using an Arctic fibre optic cable. Sci Rep 12, 19226 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23606-x