撰稿| Cyan (英国布里斯托大学 博士生)
在广袤的海底安装检测仪器既困难又昂贵，但对于监测地震和海啸来说却很重要。美国加州理工学院的詹中文助理教授(人物介绍>>>)与谷歌的光学专家展开合作，利用传统通信光信号的偏振态，以一条一万公里长的海底光缆为载体（谷歌首条私有海底光缆居里(Curie) (相关报道>>>)），探测海底地震与海水膨胀。在深海中，光纤不像陆地上那样易受影响，使得基于偏振态的检测方式成为可能。通过9个月的实测结果显示，海底光缆也可以作为一种有效的地球物理探测工具。
本视频通过对谷歌首条私有海底光缆居里(Curie)项目组及相关合作员工的采访，介绍了：谷歌海底光缆的组成结构，设计及铺设过程中的注意事项。（注：本视频中英文双语字幕由撰稿人Cyan制作）
自然灾害，始终与人类相伴。联合国国际减灾战略署于2016年发布报告显示：过去20年中(1996-2016)全球约135万人死于自然灾害，其中地震与海啸造成的死亡人数占全球总死亡人数的56%(相关报道>>>)。及时准确的获取，传递并传播预警信息，在减灾过程中，具有决定性作用。
鉴于此，来自美国加州理工学院的詹中文等人以谷歌首条私有海底光缆居里(Curie) 为载体，成功在不额外增加通信负担的前提下，通过测量光信号的偏振态，首次将传统通信光纤变为“地震仪”，实现了地震/海啸预警信号的光速传递，为自救避难争取了宝贵时间。
相关研究成果以 Optical polarization–based seismic and water wave sensing on transoceanic cables 为题发表于 Science。
面临挑战
地球的70%被海洋覆盖，广袤的海洋，为安装、监测和运行用来检测海底地质运动的水下地震仪带来了极大的困难。与此同时，对地质活动探测的需求却又与日俱增。2018年，来自国家物理实验室(英国)的Giuseppe Marra率领团队将96km的海底光缆转换为传感器，但该方法需要高度稳定的激光器作为光源。此外，分布式光纤声波传感技术(Distributed Acoustic Sensing, DAS) (名词解释>>>)利用信道固有的瑞利后向散射，可以将几十公里的专用光纤转换为数千个海底地震应变仪，其测量系统如图2所示。然而，该方案需要大量专用光纤，与现行海底光缆的通信功能相斥，因此，并不具备大规模应用条件。
图源：nearyou.imeche.org / 图译：撰稿人 Cyan
解决方案
针对以上种种限制条件，詹中文表示，最理想的情况是利用海底已有的基础设施,例如海底光缆, 来监测地震活动。
詹中文团队在与谷歌的合作中，偶然发现，在路基光纤中，光信号的偏振态会受到人类活动及温度波动等诸多因素的干扰，且难以解释。但是，在深海中，人类活动几乎为零，且温度相对恒定。这意味着，一旦地震波或巨大的海洋上升浪穿过光缆，便可以明显地探测到它是如何扭曲深海光缆的。因此，可以在不影响海底光缆通信功能的情况下，实现对海底地质活动的探测，且不会对通信系统增加额外负载，其原理示意图如图3所示。
为测试新方法的有效性，詹中文团队以谷歌居里(Curie)海底光纤(连接美国洛杉矶与智利瓦尔帕莱斯的数据中心，总长约10,000公里)为载体，进行为期9个月(12/2019-09/2020)的测试。在测试期间，成功探测约20场中大型地震，其中包括在 2020 年 1 月 28 日发生的牙买加7.7 级地震(相关报道>>>)。图4概括了在测试期间，所侦测到的地震信息，包括时间，震级与地理位置。
优势
探测信息以光信号为载体，在光纤中以光速传播，相比传统探测方式，预警信息可以更快的到达与传播。
本方案基于现有海底通信光缆，并不包含其他专用元件，因此造价更低。
目前世界上大概有400 多条海底光缆, 总长约120 万公里, 是地球到月球距离的3 倍。若全部转化为地震仪，检测范围将会得到数量级的提升。
鉴于该方案只探测信号的偏振态，理论上可以完全杜绝数据泄露/线路侦听等潜在风险，保障数据安全。
未来发展
虽然在实测过程中并未有机会探测海啸(实测期间并未发生)，但却捕获了源自海洋涌浪所产生的极化变化。研究人员认为，这些极化变化是由强大的海浪通过光缆时，沿海底的压力变化所致。詹解释说:“这意味着我们可以探测海水膨胀程度，因此我们也有可能探测海啸。”
此外，研究团队目前正在努力与人工智能/机器学习等学科前沿技术相融合，以期未来能够确定所检测到的极化变化是由地震或海浪产生的，还是因为其他变化，如船舶或海洋野生动物移动(触碰)光缆。
本文第一作者詹中文助理教授表示这项研究具有社会和科学双重意义：
1. 这项新技术确实可以将大多数海底光缆转换成数千公里长的地球物理传感器，以探测未来的地震和海啸。
2. 这是监测海底地震活动的第一个可行方案，可以在世界各地实施。
此外，在工业界，这项新技术也受到极大关注，谷歌CEO桑达尔.皮查伊在该技术问世伊始便密切关注，并在推特上向大众介绍这项极具前景的新技术，如图5所示。
Z. Zhan et al., Optical polarization–based seismic and water wave sensing on transoceanic cables, Science, vol. 371, no. 6532, pp. 931-936, 2021,
https://doi.org/10.1126/science.abe6648
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