Vivimos en un planeta activo. El interior de la Tierra está muy caliente lo que genera un nivel de actividad geológica muy superior al de los otros planetas rocosos del sistema solar. Aunque se hayan detectado terremotos en Venus o Marte, en la Tierra ocurren más a menudo y con mayor intensidad. Se estima que ocurren alrededor de 500,000 terremotos cada año, detectables con la instrumentación actual. Aproximadamente 100,000 de estos pueden ser sentidos. Se ha calculado que en zonas de baja actividad sísmica podemos esperar un terremoto de magnitud 4 cada año, un terremoto de magnitud 5 cada 10 años, y un terremoto de magnitud 6 o mayor cada 100 años, aproximadamente. Con el rápido crecimiento de mega-ciudades como Ciudad de México, Tokio y Teherán en áreas de alto riesgo sísmico, algunos sismólogos advierten que un solo terremoto podría cobrar la vida de hasta tres millones de personas.
Por todo esto resulta evidente que su estudio, comprensión y predicción son temas de la mayor importancia. Hasta hace unos años considerábamos que era imposible predecir nada sobre un terremoto futuro, pero con el desarrollo de la tecnología y el abaratamiento de sus costes, esto está empezando a cambiar. El número de estaciones sísmicas ha aumentado de alrededor de 350 en 1931 a varios miles hoy en día. Como resultado, se informa de muchos más terremotos que en el pasado, pero esto se debe a la gran mejora en la instrumentación, más que a un aumento en el número de terremotos.
Hace poco una investigación llevada a cabo en Suiza ha presentado una innovadora técnica para medir terremotos, especialmente útil en regiones con recursos limitados y en el lecho oceánico. En países ricos como Suiza, contar con una red densa de estaciones de monitoreo sísmico es algo común. Estas estaciones son fundamentales para detectar y analizar terremotos. Sin embargo, en países menos desarrollados y en el fondo de los océanos, establecer tales redes es un desafío debido a limitaciones financieras y técnicas. Las regiones más pobres carecen de fondos para sensores adecuados, mientras que el monitoreo en los océanos requiere sistemas que puedan medir cambios mínimos de presión a profundidades de miles de metros y transmitir esos datos a la superficie.
Aquí es donde interviene el trabajo de los científicos del Instituto de Geofísica de la ETH Zúrich y el Instituto Federal Suizo de Metrología (METAS). Han descubierto un método económico y sorprendente para realizar mediciones sísmicas precisas incluso en el fondo del océano y en países menos desarrollados, utilizando la infraestructura de fibra óptica existente. Este método aprovecha la función de supresión activa de ruido que lleva incorporada la red de fibra óptica. Esta supresión de ruido se utiliza para aumentar la precisión de las señales en la comunicación de datos ópticos. El profesor Andreas Fichtner explica que simplemente almacenando y evaluando los datos de supresión de ruido activo, se pueden obtener datos sobre vibraciones sísmicas, sin necesidad de dispositivos adicionales o infraestructura costosa.
Para entender cómo la cancelación activa de ruido de fase (Phase Noise Cancellation o PNC en inglés) puede medir temblores sísmicos, se puede hacer una analogía con los sistemas de supresión de ruido de los auriculares modernos. Estos auriculares tienen micrófonos que captan el ruido externo, generando una señal invertida que se mezcla en tiempo real con la señal de audio. Esta señal de fase invertida cancela el ruido externo, haciéndolo inaudible.
De manera similar, en la PNC de un sistema de comunicación de datos ópticos, el "ruido ambiente" en la fibra óptica se determina comparando la señal originalmente transmitida con una señal parcial reflejada por el receptor. La diferencia entre ambas señales indica las interferencias a las que estuvo expuesta la señal de luz en su trayecto a través de la fibra óptica. Al igual que con la supresión de ruido en auriculares, estas interferencias pueden ser canceladas usando una señal anti-ruido apropiada.
En la transmisión de datos ópticos, el "ruido" se produce cuando las fibras ópticas se ven perturbadas por deformaciones minúsculas, de solo micrómetros, causadas por varios factores como terremotos, las olas del mar, diferencias en la presión del aire y actividades humanas. Estas deformaciones causan un cambio en la longitud de la fibra, ya sea acortándola o alargándola ligeramente. Este cambio en la longitud lleva a lo que se conoce como efecto fotoelástico, que altera mínimamente la velocidad de la luz dentro de la fibra.
Estos cambios, aunque diminutos, proporcionan una imagen muy clara de las vibraciones a las que están expuestos los cables de fibra óptica durante el período de observación. Por ejemplo, utilizando el enlace de fibra óptica entre Basilea y el sitio del reloj atómico en METAS en Berna, los científicos pudieron rastrear cada onda de un terremoto de magnitud 3.9 en Alsacia en detalle. Lo más notable es que el modelo del terremoto basado en sus datos coincidió extremadamente bien con las mediciones realizadas por el Servicio Sismológico Suizo.
Esta correspondencia casi exacta demuestra que los datos de PNC pueden usarse para determinar la ubicación, profundidad y magnitud de un terremoto con un alto grado de precisión. Esto es especialmente relevante para advertencias completas de tsunamis o para medir terremotos en regiones menos desarrolladas del mundo.
Referencias:
- Noe, S., Husmann, D., Müller, N. et al. Long-range fiber-optic earthquake sensing by active phase noise cancellation. Sci Rep 13, 13983 (2023) https://doi.org/10.1038/s41598-023-41161-x
