Temblores de volcanes, estruendos del tr¨¢fico y cantos de ballenas: la fibra ¨®ptica le toma el pulso al planeta

Andreas Fichtner saca un cable de su funda protectora, dejando al descubierto un n¨²cleo de vidrio m¨¢s fino que un cabello ¡ªuna fr¨¢gil fibra de 4 kil¨®metros de longitud que est¨¢ a punto de fusionarse con otra¡ª. Es una tarea complicada, m¨¢s adecuada para un laboratorio, pero Fichtner y su colega Sara Klaasen la llevan a cabo sobre una capa de hielo ventosa y g¨¦lida.

Tras un d¨ªa de trabajo, han empalmado tres segmentos, creando un cable de 12,5 kil¨®metros de longitud. Permanecer¨¢ enterrado en la nieve y espiar¨¢ la actividad del Gr¨ªmsv?tn, un peligroso volc¨¢n island¨¦s cubierto de glaciares.

M¨¢s tarde, sentados en una caba?a sobre el hielo, el equipo de Fichtner observa c¨®mo los murmullos s¨ªsmicos del volc¨¢n que tienen debajo pasan por la pantalla de una computadora: temblores demasiado peque?os para ser percibidos, pero que la fibra ¨®ptica capta con facilidad. ¡°Pod¨ªamos verlos justo debajo de nuestros pies¡±, dice. ¡°Est¨¢s sentado all¨ª y sientes el latido del coraz¨®n del volc¨¢n¡±.

Fichtner, geof¨ªsico de la Escuela Polit¨¦cnica Federal de Z¨²rich, forma parte de un grupo de investigadores que utilizan la fibra ¨®ptica para tomar el pulso a nuestro planeta. Gran parte de este trabajo se realiza en lugares remotos, desde la cima de los volcanes hasta el fondo de los mares, donde la vigilancia tradicional es demasiado costosa o dif¨ªcil. All¨ª, en los ¨²ltimos cinco a?os, la fibra ¨®ptica ha empezado a arrojar luz sobre los retumbos s¨ªsmicos, las corrientes oce¨¢nicas e, incluso, el comportamiento de animales.

La capa de hielo de Gr¨ªmsv?tn, por ejemplo, se asienta sobre un lago de agua descongelada por el calor del volc¨¢n. Los datos del nuevo cable revelan que el campo de hielo flotante sirve de altavoz natural, amplificando los temblores desde abajo. El trabajo sugiere una nueva forma de espiar la actividad de los volcanes que est¨¢n recubiertos de hielo ¡ªy as¨ª captar los temblores que pueden anunciar erupciones¡ª.

Como un radar, pero con luz

La t¨¦cnica utilizada por el equipo de Fichtner se denomina detecci¨®n ac¨²stica distribuida, o DAD. ¡°Es casi como un radar en la fibra¡±, dice el f¨ªsico Giuseppe Marra, del Laboratorio Nacional de F¨ªsica del Reino Unido en Teddington, Inglaterra. Mientras que el radar utiliza las ondas de radio reflejadas para localizar objetos, la detecci¨®n ac¨²stica distribuida utiliza la luz reflejada para detectar acontecimientos, desde la actividad s¨ªsmica hasta el tr¨¢fico en movimiento, y determinar d¨®nde se han producido.

Funciona as¨ª: una fuente l¨¢ser situada en un extremo de la fibra dispara pulsos cortos de luz; a medida que un pulso se desplaza a lo largo de la fibra, la mayor parte de su luz contin¨²a hacia adelante, pero una fracci¨®n de los fotones de la luz choca con defectos intr¨ªnsecos de la fibra ¡ªpuntos de densidad anormal¡ª. Estos fotones se dispersan, algunos de ellos viajan de vuelta a la fuente, donde un detector analiza esta luz reflejada en busca de pistas sobre lo que ha ocurrido a lo largo de la fibra.

Una fibra ¨®ptica para la detecci¨®n ac¨²stica distribuida suele extenderse de varios a decenas de kil¨®metros, y se mueve o se dobla en respuesta a las perturbaciones del entorno. ¡°Se menea cuando pasan los autom¨®viles, cuando se producen terremotos, cuando se mueven las placas tect¨®nicas¡±, dice el cient¨ªfico de la tierra Nate Lindsey, coautor de un art¨ªculo de 2021 sobre la fibra ¨®ptica para la sismolog¨ªa en el Annual Review of Earth and Planetary Sciences. Esos meneos cambian la se?al de luz reflejada y permiten a los investigadores extraer informaci¨®n como la forma en que un terremoto ha doblado un cable en un punto determinado.

Un cable ¨®ptico capta las vibraciones, por ejemplo, de los temblores s¨ªsmicos en toda su longitud. En cambio, un sensor s¨ªsmico t¨ªpico, o sism¨®metro, transmite la informaci¨®n de un solo punto. Y los sism¨®metros pueden ser costosos de desplegar y dif¨ªciles de mantener, dice Lindsey, que trabaja en una empresa llamada FiberSense que utiliza redes de fibra ¨®ptica para aplicaciones en entornos urbanos.

La detecci¨®n ac¨²stica distribuida puede proporcionar una resoluci¨®n de aproximadamente un metro, convirtiendo una fibra de 10 kil¨®metros en algo as¨ª como 10.000 sensores, dice Lindsey. En ocasiones, los investigadores pueden aprovechar los cables de telecomunicaciones existentes o desmantelados. En 2018, por ejemplo, un grupo que inclu¨ªa a Lindsey, que entonces estaba en la UC Berkeley y en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, convirti¨® un cable de 20 kil¨®metros operado por el Instituto de Investigaci¨®n del Acuario de la Bah¨ªa de Monterey ¡ª que normalmente se utiliza para filmar corales, gusanos y ballenas¡ª en un sensor de detecci¨®n ac¨²stica distribuida mientras el sistema estaba fuera de servicio por mantenimiento.

¡°La capacidad de sumergirse en el lecho marino a lo largo de decenas de kil¨®metros ¡ªes notable que se pueda hacer eso¡ª¡±, dice Lindsey. ¡°Hist¨®ricamente, desplegar un sensor en el fondo marino puede costar 10 millones de d¨®lares¡±.

A lo largo de sus cuatro d¨ªas de mediciones, el equipo capt¨® un terremoto de 3,4 grados de magnitud que sacudi¨® el suelo a unos 30 kil¨®metros de distancia, en Gilroy, California. Para el equipo de Lindsey fue un golpe de suerte. Los cient¨ªficos de la tierra pueden utilizar las se?ales s¨ªsmicas de los terremotos para hacerse una idea de la estructura del terreno que ha atravesado el sismo, y las se?ales del cable de fibra ¨®ptica permitieron al equipo identificar varias fallas submarinas desconocidas hasta entonces. ¡°Estamos utilizando esa energ¨ªa para, b¨¢sicamente, aclarar la estructura de la falla de San Andr¨¦s¡±, dice Lindsey.

Espiar a las ciudades y a los cet¨¢ceos

La detecci¨®n ac¨²stica distribuida fue pionera en la industria del petr¨®leo y el gas para controlar los pozos y detectar el gas en las perforaciones, pero los investigadores han ido encontrando una variedad de otros usos para la t¨¦cnica. Adem¨¢s de los terremotos, se ha aprovechado para vigilar el tr¨¢fico y el ruido de la construcci¨®n en las ciudades. En metr¨®polis densamente pobladas con importantes riesgos s¨ªsmicos, como Estambul, la detecci¨®n ac¨²stica distribuida podr¨ªa ayudar a cartografiar los sedimentos y las rocas del subsuelo para revelar qu¨¦ zonas ser¨ªan las m¨¢s peligrosas durante un gran terremoto, afirma Fichtner. Un estudio reciente incluso demostr¨® que se pudo escuchar el canto de las ballenas mediante un cable ¨®ptico del fondo marino cerca de Noruega.

Pero la detecci¨®n ac¨²stica distribuida tiene algunas limitaciones. Es dif¨ªcil obtener buenos datos de fibras de m¨¢s de 100 kil¨®metros. Los mismos defectos de los cables que hacen que la luz se disperse ¡ªproduciendo la luz reflejada que es medida¡ª pueden mermar la se?al de la fuente. Con la suficiente distancia recorrida, el pulso original se perder¨ªa por completo.

Pero un m¨¦todo m¨¢s novedoso y relacionado puede proporcionar una respuesta ¡ªy quiz¨¢s permitir a los investigadores espiar un fondo marino en su mayor parte no vigilado, utilizando los cables existentes que transportan los datos de miles de millones de correos electr¨®nicos y de las descargas de streaming¡ª.

En 2016, el equipo de Marra busc¨® una forma de comparar la medici¨®n del tiempo de relojes at¨®micos ultraprecisos en puntos distantes de Europa. Las comunicaciones por sat¨¦lite son demasiado lentas para este trabajo, as¨ª que los investigadores recurrieron a cables ¨®pticos enterrados en su lugar. Al principio, no funcion¨®: las perturbaciones ambientales introduc¨ªan demasiado ruido en los mensajes que el equipo enviaba por los cables. Pero los cient¨ªficos percibieron una oportunidad. ¡°Ese ruido del que queremos deshacernos contiene en realidad informaci¨®n muy interesante¡±, dice Marra.

Utilizando m¨¦todos de ¨²ltima generaci¨®n para medir la frecuencia de las ondas de luz que rebotan a lo largo del cable de fibra ¨®ptica, Marra y sus colegas examinaron el ruido y descubrieron que ¡ªal igual que la detecci¨®n ac¨²stica distribuida¡ª su t¨¦cnica detectaba acontecimientos como los terremotos a trav¨¦s de los cambios en las frecuencias de la luz.

Sin embargo, en lugar de pulsos, utilizan un haz continuo de luz l¨¢ser. Y a diferencia de la detecci¨®n ac¨²stica distribuida, la luz l¨¢ser viaja de ida y vuelta en un bucle; entonces los investigadores comparan la luz que vuelve con la que enviaron. Cuando no hay perturbaciones en el cable, esas dos se?ales son iguales. Pero si el calor o las vibraciones del entorno perturban el cable, la frecuencia de la luz cambia.

Con su fuente de luz de grado de investigaci¨®n y la medici¨®n de una gran cantidad de la luz emitida inicialmente ¡ªen contraposici¨®n a lo que se refleja¡ª, este enfoque funciona en distancias m¨¢s largas que la detecci¨®n ac¨²stica distribuida. En 2018, el equipo de Marra demostr¨® que pod¨ªa detectar terremotos con cables de fibra ¨®ptica submarinos y subterr¨¢neos de hasta 535 kil¨®metros de longitud, superando con creces el l¨ªmite de la detecci¨®n ac¨²stica distribuida de unos 100 kil¨®metros.

Esto ofrece una forma de vigilar las profundidades del oc¨¦ano y los sistemas de la Tierra que suelen ser dif¨ªciles de alcanzar y que rara vez se rastrean con los sensores tradicionales. Un cable que discurra cerca del epicentro de un terremoto en alta mar podr¨ªa mejorar las mediciones s¨ªsmicas en tierra, proporcionando quiz¨¢s minutos m¨¢s de tiempo para que la gente se prepare para un tsunami y tome decisiones, dice Marra. Y la capacidad de percibir cambios en la presi¨®n del fondo marino podr¨ªa abrir la puerta a la detecci¨®n directa de tsunamis tambi¨¦n.

A finales de 2021, el equipo de Marra consigui¨® detectar la sismicidad a trav¨¦s del Atl¨¢ntico en un cable ¨®ptico de 5.860 kil¨®metros que discurre por el fondo marino entre Halifax, en Canad¨¢, y Southport, en Inglaterra. Y lo hicieron con una resoluci¨®n mucho mayor que antes, porque mientras que las mediciones anteriores se basaban en las se?ales acumuladas a lo largo de todo el cable submarino, este trabajo analiz¨® los cambios de luz en tramos de unos 90 kil¨®metros entre los repetidores que amplifican la se?al.

Las fluctuaciones en la intensidad de la se?al captada en el cable transatl¨¢ntico parecen ser corrientes de marea. ¡°Se trata esencialmente de que el cable se rasguea como una cuerda de guitarra a medida que las corrientes suben y bajan¡±, dice Marra. Aunque es f¨¢cil observar las corrientes en la superficie, las observaciones del fondo marino pueden mejorar la comprensi¨®n de la circulaci¨®n oce¨¢nica y su papel en el clima mundial, a?ade.

Hasta ahora, el equipo de Marra es el ¨²nico que utiliza este m¨¦todo. Est¨¢n trabajando en facilitar su despliegue y en proporcionar fuentes de luz m¨¢s accesibles.

Los investigadores siguen llevando las t¨¦cnicas de detecci¨®n basadas en fibras ¨®pticas a nuevas fronteras. A principios de este a?o, Fichtner y un colega viajaron a Groenlandia, donde el Proyecto del N¨²cleo de Hielo de Groenlandia Oriental est¨¢ perforando un pozo profundo en la capa de hielo para extraer un n¨²cleo de hielo. Seguidamente, el equipo de Fichtner hizo bajar, a mano, un cable de fibra ¨®ptica 1.500 metros ¡ªy capt¨® una cascada de terremotos de hielo, estruendos que resultan del roce entre el lecho de roca y la capa de hielo¡ª.

Los terremotos de hielo pueden deformar las capas de hielo y contribuir a su flujo hacia el mar. Pero hasta ahora los investigadores no hab¨ªan podido investigar c¨®mo se producen: son invisibles en la superficie. Quiz¨¢ la fibra ¨®ptica saque por fin a la luz sus procesos ocultos.

Art¨ªculo traducido por Debbie Ponchner.

Este art¨ªculo apareci¨® originalmente en Knowable en espa?ol , una publicaci¨®n sin ¨¢nimo de lucro dedicada a poner el conocimiento cient¨ªfico al alcance de todos.

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