文|创瞰巴黎

导读

在数字时代，光纤通信电缆不仅连接人与信息，还悄然演变为海洋科学和生态学的研究工具。本文揭示了光缆在海底的新使命：将其转化为海底传感器，用于实时监测地震、海洋温度等环境数据。这一新方案究竟有何优势，如何将光缆变身为传感器，引发了科学家们的探讨。利用光纤电缆的这一前沿应用是否能带来科学突破？它对我们对地球环境的认知和实时监测系统的建立是否将成为未来的重要趋势？

一览：

• 全世界海底和沿海铺设了许多用于通讯的光纤电缆。
• 目前，科学家们开发出了光纤电缆的一系列新用途，其中最主要的是监测海底的地震声波。
• 由于这一方案借用海底已经铺设好的电缆，所以成本低廉，而且收集的数据是实时、连续的。
• 新方案在地震研究预测、风暴动力学研究、鲸鱼研究等领域有良好前景。

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近年来，光纤通信电缆频繁见诸于通讯学之外的论文中：地球科学、海洋学、生态学等等。能否简单介绍一下光纤电缆的基本概况？

光纤电缆用于通讯，铺设于海底和沿海地带，用于全球电信通讯。它们的分布虽不均匀，但全球各地都有，太平洋和北大西洋尤其密集。每条海底电缆由大约15根玻璃光纤组成。地底下也可以铺设光纤电缆，目前法国就有一个环尼斯大都市区的电缆建设项目。最近，科学家们开发出了光纤电缆在通讯之外的一系列新用途。

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使用光缆可以获得哪些数据？

测量单位长度电缆的形变，就能探测出地震声波。一根电缆就像在海底部署的数百个地震仪。近期还有学者发现电缆可以用于测量海底温度，其灵敏度可达0.001°C[1]。在此前，这一海床关键数据没有其他获得渠道。温度信息有利于科学家更准确地描述内波、上升流等海洋学现象。

通过光缆间接采集环境数据，是一个具有巨大潜力的方案，有望大幅提升人类对地球环境的认识，且能催生实时监控系统、预警系统等新应用。纵观科学史，会发现重大的理论突破往往与观测技术的突破形影相伴。一“缆”多用，会给更多的科学谜题带来答案。

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为什么科学家们给予这一新方案如此厚望？使用光纤电缆收集海底数据，有什么优势？

海洋覆盖地球表面的三分之二，但海底的传感器很少。千里迢迢将设备安装到海底，几个月后再去回收，耗费大量的人力物力财力，还只能获得间断的数据。将通讯电缆转换为“海床传感器”，能创造前所未有的重大机遇。如果电缆上每隔几米就能取一次数据，就相当于海底传感器密度达到超高水平。现在，凡是超过300公里长的电缆每隔70公里左右都会配备一个中继器。目前的测量技术还无法“跨段”收集数据，所以暂时只能测量距离海岸70公里处的情况。即便如此，光缆数据采集仍可以大显身手，因为离岸70公里处往往是一国经济利益最密集之处。在未来，我相信技术可以克服中继器带来的限制。

利用光纤电缆收集数据有诸多优点：无需在海床上额外加装设备，不破坏海床环境，可靠性高，数据连续实时，且部署成本低，只要再安装一套几十万欧元的仪器即可。由于其最终效果相当在海底安装数千个传感器，折合成每个传感器的价格还不到10欧元，而且测量的灵敏度可与地震仪等传统传感器相媲美！

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怎么才能将海底光纤电缆转换成“传感器”？

首先要安装设备，步骤很简单：只要在每个光缆陆地段安装一个盒装仪器即可。仪器的核心元件是一个激光器，向光缆发射光线。光纤玻璃制造过程中，不可避免地会形成微小的纳米级瑕疵。当光在光纤内传播时，瑕疵就会反射光线。仪器会记录下每次反射的情况，通过测量推断出瑕疵是否发生位移，以检测出环境中的声波。这种技术称为分布式声学传感测量（DAS），设备在市面上能买得到，是诸多解决方案中最常见的。

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DAS技术的应用开始于何时？

最早开始使用DAS的是石油企业。2010年代，石油企业看中了光缆纤细结实的特质，将其铺设在油井用于DAS环境测量，不过不具有通讯功能。首先想到在已建成的电信电缆上进行DAS的是来自美国加州大学的一个团队。2017年，该团队发表了一篇论文[2]，以斯坦福大学校园的电信光纤为例，首次证明了如何使用已铺设的电信电缆记录地震活动。我们团队深受启发，很快在法国土伦周边的电信电缆上进行了一次类似的试验，发现DAS测量结果与该区域的地震活动和地震波动力学现象果真存在相关性[3]。

“利用光纤电缆收集数据，可靠性高，且数据连续实时。”

目前，使用DAS技术的研究者大部分来自地震学，可能是因为该领域本身就与石油开采、地球物理学有着密切联系。不过，涉足DAS的领域在逐渐增加，提及DAS的学术论文数量正呈爆炸式增长：从2016年的不到20篇增加到2022年的150多篇。

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利用光缆采集海底数据，有没有引发科学突破？

现在仍处于探索阶段，暂时没有重大突破，但未来可不好说！我们通过研究，发现DAS能用于信号的转化解读，证明了DAS可以记录地震数据。我们还在汇总过去未被监测出来的地震，形成数据库。团队成员在法国东南部和南美洲的智利给当地的电信电缆装上DAS监测仪器，以更好地评判地震风险。收集的数据也许能提升人类对破坏性极大的海洋地震的了解，甚至做到实时监测。

现有的研究告诉我们，DAS很适合分析海洋和风暴动力学 [4]，因为海面表面波产生的振动在海底可以检测到，深海洋流更是不在话下，而且DAS数据还能计算出测量点的温度，与其他数据互补。挪威的一个课题组最近证明了DAS在生物声学中的应用[5]：监测鲸鱼的呼声和定位，由此更好地了解鲸目动物与其环境之间的相互作用，及其如何受到人为噪音、水体运动等因素的影响。另外，由于DAS能探测出经过的船只，完全可以将其结合到船只防撞系统中。

参考资料

1. Pelaez Qui ones, J.D., Sladen, A., Ponte, A. et al. High resolution seafloor thermometry for internal wave and upwelling monitoring using Distributed Acoustic Sensing. Sci Rep13, 17459 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023–44635 0

2. Lindsey N. J., Martin, E. R., Dreger, D. S., Freifeld, B., Cole, S., James, S. R., … Ajo-Franklin, J. B. (2017). Fiber-optic network observations of earthquake wavefields. Geophysical Research Letters, 44, 11,792–11,799. https://doi.org/10.1002/2017GL075722

3. Sladen, A., Rivet, D., Ampuero, J.P. et al. Distributed sensing of earthquakes and ocean-solid Earth interactions on seafloor telecom cables. Nat Commun 10, 5777 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019–13793 z

4. Mata Flores, D., Sladen, A., Ampuero, J.-P., Mercerat, E. D., &Rivet, D. (2023). Monitoring deep Sea currents with seafloor distributed acoustic sensing. Earth and Space Science, 10, e2022EA002723.

5. Bouffaut L, Taweesintananon K, Kriesell HJ, R rstadbotnen RA, Potter JR, Landr M, Johansen SE, Brenne JK, Haukanes A, Schjelderup O and Storvik F (2022) Eavesdropping at the Speed of Light: Distributed Acoustic Sensing of Baleen Whales in the Arctic. Front. Mar. Sci. 9:901348. doi: 10.3389/fmars.2022.901348