Công nghệ biến cáp quang biển thành thiết bị cảnh báo động đất, sóng thần

Động đất, sóng thần là hai thảm họa thiên nhiên chết chóc nhất đối với loài người, đây cũng là hai sự cố rất khó đoán biết trước. Nếu không có cảnh báo sớm, quá trình dịch chuyển đứt gãy của vỏ Trái đất hoặc những trận lở bùn đất dưới lòng đại dương có thể gây ra thảm họa ở quy mô ghê gớm.

Vì lý do này, giới kĩ sư và các nhà khoa học của Caltech và Google đang nghiên cứu, phát triển một hệ thống ghi nhận và cảnh báo sớm tinh vi. Một trong những lựa chọn được đặc biệt chú ý là tìm ra cách thức để biến mạng cáp quang thông tin rộng khắp toàn cầu thành một mạng đo địa chấn khổng lồ.

Nhân loại đang sống trong một thế giới siêu kết nối, khiến nhiều người nghĩ rằng tất cả là nhờ vào mạng không dây, internet vệ tinh. Nhưng thực chất 99% lưu thông dữ liệu qua lại trên biển là nhờ vào các mạng cáp đặt dưới lòng đại dương. Ngoại trừ các vùng cực có điều kiện khí hậu lạnh giá khắc nghiệt, dưới đáy đại dương chặng chịt các tuyến cáp ngầm.

Trên thực tế, các hệ thống thăm dò địa chấn đại dương và trên bộ, ví như Hệ thống Cảnh báo sóng thần và Đánh giá đại dương (DART) nằm dưới quyền điều hành của Cơ quan Đại dương Quốc gia và Cục Quản lý các nghiên cứu đại dương và khí quyển quốc gia Mỹ, chỉ có thể cung cấp một cách không đầy đủ, không tức thời về các biến cố địa chấn đại dương như động đất, sóng thần.

Thách thức nằm ở chỗ, các trận sóng xung kích di chuyển ở tốc độ âm thanh và vì thế sẽ rất khó để đưa ra cảnh báo sớm về một trận sóng thần gây đe dọa các vùng bờ biển. Nếu mạng cáp ngầm có khả năng thu nhận, phát hiện những dịch chuyển như vậy, chúng sẽ ở sát nguồn sóng và những cảnh báo thu nhận sẽ được phát vào bờ ngang với tốc độ âm thanh.

Ý tưởng biến cáp ngầm thành mạng địa chấn chuyên theo dõi, cảnh báo động đất, sóng thần không phải là mới. Nhưng các phương án đưa ra trước đó đều đặt ra yêu cầu lắp đặt một thiết bị đặc biệt, sử dụng mạng cáp chạy không (độc lập với cáp quang viễn thông) hoặc cả hai. Phương pháp của Caltech/Google có điểm đột phá, khi chủ yếu khai thác mạng cáp quang mà các công ty viễn thông đặt ngầm dưới biển từ những năm 1980.

Trong điều kiện hoạt động bình thường, sóng xung laser vốn đảm nhận việc truyền đa kênh dữ liệu được phân cực hóa. Khi những sóng xung này dội vào điểm đầu cuối, chúng sẽ được tiếp nhận, giám sát thường kỳ.

Nếu thiết bị hoạt động tốt và cáp không gặp sự cố, sóng xung laser sẽ luôn được phân cực hóa. Nhưng nếu xuất hiện bất thường, hoặc cáp bị hủy hoại, sóng phân cực sẽ thay đổi. Điều này đồng nghĩa với việc hoàn toàn có thể giám sát các chuyển động địa chấn bằng một đường cáp sống với thiết bị tiêu chuẩn.

Thông qua hợp tác với công ty quản lý tuyến cáp quang Curie Cable bao trùm phía tây bờ biển bắc Mỹ và Nam Mỹ, chạy từ Los Angles (Mỹ) tới Valparaiso (Chile), đội nghiên cứu Caltech/Google đã từng phân tích được sóng phân cực của đường cáp này tới 20 lần trong một giây.

Phần lớn thời gian theo dõi không có điểm gì bất thường. Nhưng nếu có động đất hay sóng lớn, ngay lập tức sóng phân cực biến động, từ đó các nhà nghiên cứu có thể tìm ra điểm khởi nguồn. Trong quãng thời gian 9 tháng, nhóm nghiên cứu đã 20 lần xác định được các trận động đất từ trung bình đến lớn ở các vùng biển có tuyến đường cáp quang, với trận lớn nhất có độ lớn tới 7,7 ở ngoài khơi Jamaica.

Bước đi tiếp theo sẽ là phát triển một hệ thống học máy chuyên về thuật toán, cho phép thực hiện giám sát cáp quang tự động, loại trừ được ảnh hưởng từ các hoạt động gây nhiễu do tàu thuyền hay cua biển làm dịch chuyển cáp.

Theo Zhongwen Zhan, giáo sư trợ giảng thuộc phòng thí nghiệm địa chấn của Viện Công nghệ California, kĩ thuật mới này có thể chuyển đổi phần lớn các tuyến cáp ngầm thành cảm biến địa vật lý có chiều dài tới hàng nghìn kilomet để xác định, cảnh báo động đất và có thể cả sóng thần trong tương lai. Nó sẽ bổ trợ cho hệ mạng lưới các trạm đo địa chấn đặt trên đất liền cùng với phao giám sát sóng thần hiện tại, giúp phát hiện từ sớm động đất, sóng thần trong đa số các trường hợp.