Drei Viertel unseres Planeten sind von Meeren bedeckt, entsprechend viele geologisch und geophysikalisch relevante Prozesse spielen sich in den Ozeanen ab. Die meisten Erdbeben und rund 80 Prozent der Vulkanausbrüche finden beispielsweise unter Wasser statt und auch viele Plattengrenzen und Verwerfungen verlaufen vor den Küsten der Kontinente. “Es gibt einen enormen Bedarf an mehr Seismologie auf dem Meeresgrund”, erklärt Erstautor Nathaniel Lindsey von der University of California in Berkeley. Doch neue Seismometer und andere Messinstrumente am Meeresgrund zu installieren, ist extrem aufwändig und entsprechend teuer: Man benötigt Schiffe, um sie hinzubringen und Tauchroboter oder Taucher für die Installation am Grund. Außerdem sind leistungsfähige Batterien oder andere Stromquellen für den Betrieb der Geräte nötig. Aus diesen Gründen sind bislang nur wenige Messnetze oder Einzelsensoren in den Ozeanen aktiv.
Photonenstreuung im Glasfaserkabel als Seismometer
Eine Lösung für die ozeanischen Messlücken könnte nun eine Methode liefern, die die schon am Meeresgrund vorhandene Technik für seismische Messungen nutzt. Denn weltweit durchziehen tausende Kilometer Seekabel die Meere – die Glasfaserleitungen, die das Rückgrat der globalen Telekommunikation bilden. Über sie laufen Daten in Form von Laserpulsen von Kontinent zu Kontinent. Lindsey und sein Team haben nun einen Weg gefunden, diese Kabel zu einer Art Seismometer umzufunktionieren. Als Testfeld diente ihnen ein rund 50 Kilometer langes Seekabel, das von der Küste der Monterey Bay in Kalifornien zu einer Untersee-Messstation im Pazifik führt und wissenschaftliche Messdaten überträgt. Als das Glasfaserkabel im März 2018 wegen Wartungsarbeiten vorübergehend stillgelegt wurde, nutzten die Forscher die Chance, um ihre Experimente durchzuführen.
Für ihre Messungen nutzten Lindsey und sein Team die Tatsache, dass Erschütterungen am Meeresgrund auch die Glasfaserkabel ein klein wenig dehnen und stauchen. Schickt man nun kohärente Laserpulse durch das Kabel, verändern sich durch diese subtilen Bewegungen die Frequenzmerkmale und die Ankunftszeiten der Photonen, die vom Kabelinneren zurückgestreut werden. Dieses sogenannte Backscattering werteten die Forscher an einem rund 20 Kilometer langen Teilstück des Seekabels vier Tage lang kontinuierlich mithilfe eines Spektrometers aus. Durch Vergleiche mit Referenzsignalen ermöglichte dieses sogenannte Distributed Acoustic Sensing (DAS) die präzise Erfassung selbst kleiner Erschütterungen. “Diese Systeme registrieren auf einen Meter noch Veränderungen im Bereich von Nanometern bis zu hunderten Picometern”, erklärt Co-Autor Jonathan Ajo-Franklin vom Lawrence Berkeley National Laboratory. Durch spezielle Anpassung der Laserpulse konnten die Forscher die Rückstreuung an jedem zwei Meter langen Teilstück der Leitung gesondert messen. Dadurch verwandelten sie das 20 Kilometer lange Glasfaserkabel im Prinzip in 10.000 einzelne Bewegungssensoren.
