06.12.2023

Erdbeben mit Glasfasern vermessen

Neue Methode taugt für engmaschige Erdbeben-​ und Tsunami-​Frühwarnsysteme.

Ein dichtes Netz von Erdbeben­messstationen ist in reichen Ländern eine Selbstverständlichkeit. In weniger entwickelten Ländern und auf dem Grund der Weltmeere ist das nicht der Fall. Während in ärmeren Welt­gegenden das Geld für die nötige Anzahl an Sensoren fehlt, müssen in den Ozeanen aufwändige Systeme installiert werden, um die minimalen Druckänderungen in Tausenden von Metern Tiefe zuverlässig zu messen und die Datensignale an die Meeres­oberfläche zu bringen. Forschende vom Institut für Geophysik der ETH Zürich haben jetzt in Zusammenarbeit mit dem Eid­genössischen Institut für Metrologie Metas eine verblüffende und kosten­günstige Methode gefunden, mit der genaue Erdbeben­messungen auch am Ozeanboden und in weniger entwickelten Ländern möglich werden. 

Abb.: In der Schweiz wurden Glasfasern als Erdbebensensoren genutzt.
Abb.: In der Schweiz wurden Glasfasern als Erdbebensensoren genutzt.
Quelle: ETHZ

„Wir nutzen eine Funktion der bestehenden Glasfaser­infrastruktur und gewinnen die Erschütterungs­daten aus der aktiven Rauschunterdrückung, die in der optischen Daten­kommunikation die Genauigkeit der Signale erhöht“, erklärt Andreas Fichtner. Die Daten der aktiven Rausch­unterdrückung müssen dabei lediglich gespeichert und ausgewertet werden. Dazu sind weder zusätzliche Geräte noch teure Infrastruktur nötig. 

Im Active Phase Noise Cancellation (PNC) eines optischen Datenkommuni­kationssystems wird der „Umgebungslärm“ in der Glasfaser durch den Vergleich des ursprünglich gesendeten Signals mit einem Teilsignal, das vom Empfänger reflektiert wird, bestimmt. Die Differenz zwischen den beiden Signalen zeigt dann die Störungen an, denen das Lichtsignal auf seinem Weg durch die Glasfaser ausgesetzt war. Genau wie bei der Rauschunterdrückung in Kopfhörern können diese Störungen durch ein entsprechendes Gegensignal ausgelöscht werden.

Der „Lärm“ in der optischen Daten­übertragung entsteht durch mikro­meter­große Verformungen der Fasern. Sie sind die Folge von Deformationen der Erdober­fläche aufgrund von Erdbeben, Wasserwellen, Luftdruck­differenzen und von menschlichen Akti­vitäten. Dabei verkürzt oder verlängert jede Deformation die Faser geringfügig. Dies wiederum führt zu einem photoelastischen Effekt, der die Licht­geschwindigkeit in der Faser minimal schwanken lässt. Sowohl die Veränderungen der Faserlänge als auch die Schwankungen der Lichtgeschwindigkeit verändern die Frequenz des Lichtsignals um einen winzigen Faktor. Dieses Phänomen ist schon seit einigen Jahren bekannt und wurde bisher bereits mit speziellen Mess­instrumenten zur Messung von Erschütterungen genutzt.

ETHZ / JOL

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