Buzz
Động đất 7.8 độ của Thổ Nhĩ Kỳ và Syria hôm thứ Hai là một lời nhắc đau lòng rằng ẩn sau lòng đất, hành tinh Trái Đất vẫn giữ bí mật. Các nhà khoa học đã biết rằng các động tectonic dễ gây ra động đất, nhưng họ không thể dự đoán khi nào một trận động đất sẽ xảy ra hoặc có độ lớn như thế nào. Nếu họ có thể, số người chết không lên đến hơn 20,000 người đến nay—và nhóm cứu thương vẫn đang nỗ lực tìm kiếm người sống sót.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã tiến bộ trong việc phát triển hệ thống cảnh báo động đất sớm, trong đó các cảm biến địa chấn phát hiện sự bắt đầu của động đất và gửi cảnh báo trực tiếp đến điện thoại của mọi người. Tuy nhiên, cảnh báo đó không đến từng ngày hoặc vài giờ trước khi động đất xảy ra, mà chỉ là vài giây. Các sự cố động đất trên hành tinh diễn ra quá đột ngột để các nhà khoa học có thể cung cấp thời gian cảnh báo đáng kể.
Một kỹ thuật mới có thể một ngày nào đó nâng cao hệ thống cảnh báo động đất sớm này, cung cấp thêm thời gian cho mọi người chuẩn bị trước khi động đất xảy ra—tuy nhiên, vẫn chỉ là vài giây, phụ thuộc vào việc một người ở gần tâm chấn động đất hay không. Nó được gọi là cảm biến âm thanh phân tán, hoặc DAS. Mặc dù lĩnh vực này vẫn còn non trẻ, DAS có thể tận dụng các sợi cáp quang chôn dưới chân chúng ta như một hệ thống mạng siêu nhạy để phát hiện sóng động đất. Những sợi cáp này được sử dụng cho viễn thông, nhưng có thể được tái chế để cảm nhận động đất và phun trào núi lửa vì chuyển động nhẹ của đất khiến ánh sáng đi qua sợi cáp bị gián đoạn, tạo ra một tín hiệu đặc biệt.
DAS không thể dự đoán động đất; nó chỉ phát hiện rung động sớm. “Bất kỳ hệ thống nào, có thể là cảm biến địa chấn hoặc cáp quang, đều không thể phát hiện điều gì đó trước khi nó xảy ra tại cảm biến,” nói nhà địa chất Philippe Jousset của Trung tâm Nghiên cứu Địa chất Đức, người đã sử dụng DAS để phát hiện hoạt động núi lửa trên núi Etna ở Ý. “Chúng ta phải đặt cảm biến càng gần nguồn càng tốt để có thể phát hiện sớm. Có rất nhiều sợi cáp ở mọi nơi. Vì vậy, nếu chúng ta có thể giám sát chúng tất cả cùng một lúc, chúng ta sẽ nhận được thông tin ngay khi có điều gì đó xảy ra.”
Khi một đứt lỗi, nó phát ra các loại sóng động đất khác nhau. Những loại chính, P-waves, di chuyển ở vận tốc 3.7 dặm mỗi giây. Những loại này không gây hại nhiều cho nhà cửa và cơ sở hạ tầng khác. S-waves, hoặc sóng thứ cấp, gây hại nhiều hơn nhiều, di chuyển ở vận tốc 2.5 dặm mỗi giây. Còn nếu nhìn vào những sóng bề mặt, chúng di chuyển với vận tốc gần giống như S-waves hoặc có lẽ chậm hơn một chút. Chúng di chuyển dọc theo bề mặt Trái Đất, dẫn đến biến dạng ấn tượng của mặt đất. (Chúng đặc biệt phá hủy vì năng lượng của chúng tập trung trên một mặt phẳng tương đối phẳng theo bề mặt, trong khi P-waves và S-waves lan ra nhiều chiều dưới lòng đất, phân phối năng lượng của chúng.)
Hệ thống cảnh báo động đất sớm hiện tại, như ShakeAlert của Cơ quan Địa chất Hoa Kỳ, sử dụng cảm biến địa chấn để tận dụng vận tốc khác nhau của sóng động đất. ShakeAlert bao gồm khoảng 1,400 trạm địa chấn trải rộng khắp California, Oregon và Washington, với kế hoạch thêm gần 300 trạm nữa. Chúng theo dõi P-waves di chuyển nhanh, là dấu hiệu cảnh báo về S-waves và sóng bề mặt có hại hơn đang đến. Nếu một trận động đất xảy ra và ít nhất bốn trạm riêng biệt phát hiện sự kiện, tín hiệu đó được gửi đến một trung tâm dữ liệu. Nếu các thuật toán của hệ thống xác định rằng động đất sẽ vượt quá cường độ 5 độ, nó sẽ kích hoạt một cảnh báo khẩn cấp được gửi đến điện thoại di động của cư dân địa phương. (Nhờ vào đối tác ShakeAlert với Google, nó sẽ được gửi đến người dùng Android nếu cường độ lớn hơn 4.5.)
Tất cả việc truyền dữ liệu qua thiết bị viễn thông hiện đại xảy ra với tốc độ ánh sáng—khoảng 186,000 dặm mỗi giây—nhanh hơn nhiều so với tốc độ di chuyển của sóng động đất gây hại. Nhưng thời gian cảnh báo một cư dân nhận được phụ thuộc vào việc họ ở xa tâm chấn bao xa. Nếu họ ở ngay trên đó, không đủ thời gian để nhận cảnh báo trước khi họ cảm thấy độ rung. Hãy tưởng tượng nó giống như một trận giông: Càng gần bạn với tia chớp, bạn càng sớm nghe thấy tiếng sấm.
“Mọi thứ diễn ra cực kỳ nhanh,” nói Robert-Michael de Groot, một thành viên của đội ngũ vận hành ShakeAlert tại Trung tâm Khoa học Động đất của USGS. “Nếu bạn ở xa đủ, có thể bạn sẽ có vài giây. Và đó là tốt hơn trước khi có hệ thống cảnh báo động đất, khi thực tế là tín hiệu duy nhất bạn biết rằng có điều gì đó đang xảy ra là đất đang rung.”
Với vài giây đó, mọi người có thể đưa con cái và nhanh chóng che dưới bàn. ShakeAlert về cơ bản là đua trước động đất, ít nhất là đoạn mà con người trải qua trên bề mặt với độ rung mạnh. “Đó là một cuộc đua,” nói de Groot. “Mọi người có thể cảm nhận một trật tự hoặc điều gì đó tương tự, nhưng sau đó, khi độ rung mạnh đến, hy vọng là cảnh báo đã được gửi và mọi người đã sẵn sàng.”
DAS hoạt động theo cùng nguyên tắc với ShakeAlert, chỉ khác là thay vì cảm biến địa chấn theo dõi P-waves, nó sử dụng sợi cáp quang kéo dài rộng lớn. Các nhà khoa học có thể được phép đính một thiết bị gọi là bộ thẩm vấn vào các sợi cáp không sử dụng. (Các công ty viễn thông thường trải đặt nhiều hơn là họ cần.) Thiết bị này phát tia laser xuống dây và phân tích các chùm nhỏ của ánh sáng khi nó bị làm xáo trộn. Bởi vì các nhà khoa học biết tốc độ của ánh sáng, họ có thể xác định chuyển động dựa trên thời gian mà tín hiệu mất để quay lại bộ thẩm vấn.
Thay vì đo đo động chấn tại một điểm duy nhất như cảm biến địa chấn, DAS giống như một chuỗi dài hàng dặm tạo thành một cảm biến động đất khổng lồ. Nếu có nhiều sợi cáp zig-zag qua một khu vực, càng tốt. “Một trong những ưu điểm lớn của DAS là thực sự nhiều sợi cáp đó đã có sẵn, vì vậy nó sẵn có,” nói Sunyoung Park, một nhà địa chấn học tại Đại học Chicago.
DAS cũng có thể thu thập dữ liệu ở những nơi không có trạm địa chấn phù hợp, như các khu vực nông thôn có sợi cáp quang dãn ra dưới chân họ. Vì những sợi cáp đó cũng dưới đáy biển—chạy dọc theo bờ biển và kết nối các lục địa qua đại dương—chúng có thể thu sóng động đất ở đó nữa. Đối với những khoảng cách lớn hơn đó, các nhà nghiên cứu sử dụng “bộ lặp,” các thiết bị đã được đặt mỗi khoảng 40 dặm dọc theo các sợi cáp để tăng cường tín hiệu. Trong trường hợp này, thay vì phân tích ánh sáng trả lại cho một bộ thẩm vấn, họ phân tích tín hiệu đến từ mỗi bộ lặp.
Năm ngoái, các nhà khoa học mô tả cách họ sử dụng một sợi cáp từ Vương quốc Anh đến Canada để phát hiện động đất cho đến Peru. Kỹ thuật này độ nhạy cao đến nỗi sợi cáp thậm chí còn thu sóng thủy triều, có nghĩa là nó có thể tiềm ẩn khả năng phát hiện sóng thần do động đất dưới đáy biển.
Và tháng trước trong tạp chí Scientific Reports, một đội ngũ nghiên cứu riêng biệt mô tả cách họ sử dụng sợi cáp dưới biển ngoại khơi bờ biển Chile, Hy Lạp và Pháp để phát hiện động đất. Họ so sánh dữ liệu này với dữ liệu từ cảm biến địa chấn theo dõi cùng các sự kiện, và chúng khớp rất tốt. “Chúng ta có thể, trong thời gian thực khi động đất đang xảy ra, phân tích các tín hiệu được ghi lại bằng sợi quang và ước lượng cường độ động đất,” nói Itzhak Lior, một nhà địa chấn học tại Đại học Hebrew ở Israel và tác giả chính của bài báo. “Thay đổi trò chơi ở đây là chúng ta có thể ước lượng cường độ mỗi 10 mét dọc theo sợi.”
Bởi vì một cảm biến địa chấn truyền thống đo ở một điểm duy nhất, nó có thể bị làm nhiễu bởi tiếng ồn dữ liệu tại chỗ, như do xe lớn đi qua. “Nếu bạn có sợi cáp, bạn có thể dễ dàng phân biệt động đất khỏi tiếng ồn, vì động đất ghi lại gần như tức thì trên hàng trăm mét,” nói Lior. “Nếu đó là một nguồn tiếng ồn cục bộ, như một chiếc xe hoặc tàu hỏa hoặc bất cứ điều gì khác, bạn chỉ thấy nó trên vài chục mét.”
Nói chung, DAS đáng kể tăng độ phân giải của dữ liệu địa chấn. Điều này không phải là nó sẽ thay thế cho những thiết bị cực kỳ chính xác này—mà chỉ là một bổ sung cho chúng. Ý tưởng chung là chỉ cần có nhiều cảm biến địa chấn gần epicenter động đất hơn, cải thiện phạm vi bảo tin. “Nói chung, không quan trọng bạn có cảm biến địa chấn hay DAS,” nói Lior. “Càng gần bạn với động đất, càng tốt.”
Và nghiên cứu DAS phải đối mặt với một số thách thức, đặc biệt là cáp quang không được thiết kế để phát hiện hoạt động địa chấn—chúng được thiết kế để truyền thông tin. “Một trong những vấn đề với các sợi cáp DAS là chúng không nhất thiết được gọi là ‘kết nối tốt’ với đất,” nói Park, có nghĩa là những dây có thể chỉ được trải dài lỏng lẻo vào ống, trong khi một cảm biến địa chấn đúng cách được điều chỉnh tinh tế và được đặt để phát hiện tiếng gầm. Các nhà khoa học đang nghiên cứu làm thế nào việc thu dữ liệu từ cáp có thể thay đổi tùy thuộc vào cách nó được đặt dưới lòng đất. Nhưng vì có rất nhiều dặm cáp quang ở ngoại ô, đặc biệt là ở khu vực đô thị, các nhà khoa học có nhiều lựa chọn. “Vì nó rất dày đặc, bạn có rất nhiều dữ liệu để làm việc,” Park nói.
Một rào cản khác, theo từng nhà địa vật lý Ariel Lellouch, người nghiên cứu DAS tại Đại học Tel Aviv, là việc liên tục phát xạ xung laser xuống sợi quang và phân tích những gì trở lại bộ thẩm vấn tạo ra một lượng thông tin khổng lồ cần phải phân tích. “Chỉ đơn giản là lượng dữ liệu mà bạn thu được và việc xử lý, có nghĩa là bạn sẽ cần phải làm nhiều nó có lẽ ở hiện trường,” Lellouch nói. “Nghĩa là, bạn không thể đủ khả năng tải lên toàn bộ dữ liệu lên internet và sau đó xử lý nó tại một địa điểm tập trung. Bởi vì vào lúc bạn tải lên, động đất đã diễn ra rất xa bạn.”
Trong tương lai, quá trình này có thể xảy ra trực tiếp trong các bộ thẩm vấn chính chúng—tạo ra một mạng lưới các bộ cảm biến hoạt động liên tục. Những sợi cáp quang cùng đưa đến cho bạn internet có thể mang đến vài giây quý báu thêm để chuẩn bị cho một trận động đất.
