É como um radar, mas com luz. A detecção acústica distribuída – DAS – capta tremores de vulcões, tremores de gelo e falhas no fundo do mar, bem como ruídos de tráfego e cantos de baleias.
Andreas Fichtner retira um cabo de sua bainha protetora, expondo um núcleo de vidro mais fino que um fio de cabelo – uma fibra frágil de 4 quilômetros de comprimento que está prestes a ser fundida a outra. É uma tarefa complicada, mais adequada para um laboratório, mas Fichtner e sua colega Sara Klaasen estão fazendo isso no topo de uma camada de gelo gelada e ventosa.
Após um dia de trabalho, eles juntaram três segmentos, criando um cabo de 12,5 quilômetros de comprimento. Ele ficará enterrado na neve e bisbilhotará a atividade de Grímsvötn, um perigoso vulcão islandês coberto de geleiras.
Mais tarde, sentado em uma cabana no gelo, a equipe de Fichtner observa os murmúrios sísmicos do vulcão abaixo deles passarem pela tela do computador: terremotos pequenos demais para serem sentidos, mas prontamente captados pela fibra óptica. “Podíamos vê-los bem debaixo de nossos pés”, diz ele. “Você está sentado lá e sentindo a pulsação do vulcão.”
Hildur Jonsdottir
Fichtner, geofísico do Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Zurique, faz parte de um grupo de pesquisadores que usam fibra ótica para medir o pulso do nosso planeta. Grande parte desse trabalho está sendo feito em lugares remotos, desde o topo dos vulcões até o fundo dos mares, onde o monitoramento tradicional é muito caro ou difícil. Lá, nos últimos cinco anos, a fibra ótica começou a lançar luz sobre estrondos sísmicos, correntes oceânicas e até comportamentos de animais.
A camada de gelo de Grímsvötn, por exemplo, fica em um lago de água descongelada pelo calor do vulcão. Os dados do novo cabo revelam que o campo de gelo flutuante funciona como um alto-falante natural, amplificando os tremores vindos de baixo. O trabalho sugere uma nova maneira de espionar a atividade de vulcões que são cobertos por gelo – e assim captar tremores que podem anunciar erupções.
Como radar, mas com luz
A técnica usada pela equipe de Fichtner é chamada de detecção acústica distribuída, ou DAS. “É quase como um radar na fibra”, diz o físico Giuseppe Marra, do Laboratório Nacional de Física do Reino Unido, em Teddington, Inglaterra. Enquanto o radar usa ondas de rádio refletidas para localizar objetos, o DAS usa luz refletida para detectar eventos, desde atividade sísmica até tráfego em movimento, e para determinar onde eles ocorreram.
Funciona assim: uma fonte de laser em uma extremidade da fibra dispara pulsos curtos de luz. À medida que um pulso se move ao longo da fibra, a maior parte de sua luz continua avançando. Mas uma fração dos fótons da luz atinge falhas intrínsecas na fibra – pontos de densidade anormal. Esses fótons se espalham, alguns deles viajando de volta à fonte, onde um detector analisa essa luz refletida em busca de dicas sobre o que ocorreu ao longo do comprimento da fibra.
Uma fibra óptica para DAS normalmente se estende de várias a dezenas de quilômetros e se move ou se curva em resposta a distúrbios no ambiente. “Ele balança quando os carros passam, quando terremotos acontecem, quando as placas tectônicas se movem”, diz o cientista terrestre Nate Lindsey, coautor de um artigo de 2021 sobre fibra óptica para sismologia na Revisão Anual da Terra e Ciências Planetárias. Essas oscilações alteram o sinal de luz refletido e permitem que os pesquisadores extraiam informações como, por exemplo, como um terremoto entortou um cabo em um determinado ponto.
Um cabo óptico capta vibrações, por exemplo, de abalos sísmicos em toda a sua extensão. Em contraste, um sensor sísmico típico, ou sismômetro, retransmite informações de apenas um ponto. E os sismômetros podem ser caros para implantar e difíceis de manter, diz Lindsey, que trabalha em uma empresa chamada FiberSense, que usa redes de fibra ótica para aplicações em ambientes urbanos.
Revista Knowable
O DAS pode fornecer resolução de cerca de 1 metro, transformando uma fibra de 10 quilômetros em algo como 10.000 sensores, diz Lindsey. Às vezes, os pesquisadores podem pegar carona em cabos de telecomunicações existentes ou desativados. Em 2018, por exemplo, um grupo que incluía Lindsey, que estava na UC Berkeley e no Lawrence Berkeley National Laboratory, transformou um cabo de 20 quilômetros operado pelo Monterey Bay Aquarium Research Institute – normalmente usado para filmar corais, minhocas e baleias – em um Sensor DAS enquanto o sistema estava offline para manutenção.
“A capacidade de mergulhar no fundo do mar por dezenas de quilômetros – é notável que você possa fazer isso”, diz Lindsey. “Historicamente, a implantação de um sensor no fundo do mar pode custar US$ 10 milhões.”
Durante a medição de quatro dias, a equipe detectou um terremoto de magnitude 3,4 sacudindo o solo a cerca de 30 quilômetros de distância em Gilroy, Califórnia. Para a equipe de Lindsey, foi um golpe de sorte. Os cientistas da Terra podem usar sinais sísmicos de terremotos para ter uma noção da estrutura do solo que o terremoto percorreu, e os sinais do cabo de fibra ótica permitiram à equipe identificar várias falhas submarinas desconhecidas anteriormente. “Estamos usando essa energia para basicamente iluminar essa estrutura da falha de San Andreas”, diz Lindsey.
Espionagem de cidades e cetáceos
O DAS foi pioneiro na indústria de petróleo e gás para monitorar poços e detectar gás em poços, mas os pesquisadores têm encontrado uma variedade de outros usos para a técnica. Além de terremotos, foi aproveitado para monitorar o tráfego e o ruído da construção nas cidades. Em metrópoles densamente povoadas com riscos sísmicos significativos, como Istambul, o DAS pode ajudar a mapear os sedimentos e rochas no subsolo para revelar quais áreas seriam as mais perigosas durante um grande terremoto, diz Fichtner. Um estudo recente relatou até escutas de cantos de baleias usando um cabo óptico do fundo do mar perto da Noruega.
Mas o DAS vem com algumas limitações. É complicado obter bons dados de fibras com mais de 100 quilômetros. As mesmas falhas nos cabos que causam a dispersão da luz – produzindo a luz refletida que é medida – podem esgotar o sinal da fonte. Com uma distância suficiente percorrida, o pulso original seria completamente perdido.
Mas um método mais recente e relacionado pode fornecer uma resposta – e talvez permitir que os pesquisadores espionem um fundo do mar praticamente não monitorado, usando cabos existentes que transportam os dados de bilhões de e-mails e streaming.
Em 2016, a equipe de Marra procurou uma maneira de comparar a cronometragem de relógios atômicos ultraprecisos em pontos distantes da Europa. As comunicações por satélite são muito lentas para esse trabalho, então os pesquisadores se voltaram para cabos ópticos enterrados. A princípio, não funcionou: distúrbios ambientais introduziram muito ruído nas mensagens que a equipe enviou pelos cabos. Mas os cientistas perceberam uma oportunidade. “Esse ruído do qual queremos nos livrar realmente contém informações muito interessantes”, diz Marra.
Usando métodos de ponta para medir a frequência das ondas de luz refletidas ao longo do cabo de fibra ótica, Marra e seus colegas examinaram o ruído e descobriram que – como o DAS – sua técnica detectava eventos como terremotos por meio de mudanças nas frequências de luz.
Em vez de pulsos, porém, eles usam um feixe contínuo de luz laser. E ao contrário do DAS, a luz do laser viaja para fora e para trás em um loop; então os pesquisadores comparam a luz que volta com o que eles enviaram. Quando não há perturbações no cabo, esses dois sinais são os mesmos. Mas se o calor ou as vibrações no ambiente perturbarem o cabo, a frequência da luz muda.
Com sua fonte de luz de nível de pesquisa e medição de uma grande quantidade de luz inicialmente emitida – em oposição apenas ao que é refletido – essa abordagem funciona em distâncias maiores do que o DAS. Em 2018, a equipe de Marra demonstrou que poderia detectar terremotos com cabos de fibra ótica submarinos e subterrâneos de até 535 quilômetros de extensão, excedendo em muito o limite do DAS de cerca de 100 quilômetros.
Isso oferece uma maneira de monitorar o oceano profundo e os sistemas terrestres que geralmente são difíceis de alcançar e raramente rastreados usando sensores tradicionais. Um cabo passando perto do epicentro de um terremoto offshore pode melhorar as medições sísmicas terrestres, fornecendo talvez alguns minutos a mais para as pessoas se prepararem para um tsunami e tomarem decisões, diz Marra. E a capacidade de detectar mudanças na pressão do fundo do mar também pode abrir a porta para a detecção direta de tsunamis.
No final de 2021, a equipe de Marra conseguiu detectar a sismicidade no Atlântico em um cabo óptico de 5.860 quilômetros no fundo do mar entre Halifax, no Canadá, e Southport, na Inglaterra. E eles fizeram isso com uma resolução muito maior do que antes, porque enquanto as medições anteriores dependiam de sinais acumulados em todo o comprimento do cabo submarino, este trabalho analisou as mudanças na luz de aproximadamente 90 quilômetros entre repetidores de amplificação de sinal.
Flutuações na intensidade do sinal captado no cabo transatlântico parecem ser correntes de maré. “Estes são essencialmente o cabo sendo tocado como uma corda de guitarra conforme as correntes sobem e descem”, diz Marra. Embora seja fácil observar as correntes na superfície, as observações do fundo do mar podem melhorar a compreensão da circulação oceânica e seu papel no clima global, acrescenta.
Até agora, a equipe de Marra é a única a usar esse método. Eles estão trabalhando para facilitar a implantação e fornecer fontes de luz mais acessíveis.
Os pesquisadores continuam a levar as técnicas de detecção baseadas em fibras ópticas a novas fronteiras. No início deste ano, Fichtner e um colega viajaram para a Groenlândia, onde o East Greenland Ice-Core Project está perfurando um poço profundo na camada de gelo para remover um núcleo de gelo. A equipe de Fichtner então baixou manualmente um cabo de fibra ótica de 1.500 metros – e captou uma cascata de terremotos de gelo, estrondos que resultam da fricção entre o leito rochoso e o manto de gelo.
Os terremotos de gelo podem deformar as camadas de gelo e contribuir para o seu fluxo em direção ao mar. Mas os pesquisadores ainda não tiveram como investigar como eles acontecem: eles são invisíveis na superfície. Talvez a fibra ótica finalmente traga à luz seus processos ocultos.
Publicado em 06/01/2023 17h51
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