Erdbeben und Vulkanausbrüche: Glasfaserkabel als Frühwarnsystem
Wissen, wann es bebt: Vulkanausbrüche und Erdbeben haben oft verheerende Folgen. Wie gut wäre es, solche Ereignisse vorhersagen zu können. Das sei unmöglich, sagt Philippe Jousset im Gespräche mit Golem.de. Aber er und andere arbeiten daran, so nah wie möglich an eine verlässliche Prognose heranzukommen.
"Ich glaube nicht, dass wir vorhersagen können, dass es ein Erdbeben an einem bestimmten Ort geben wird, egal mit welcher Technik. Wir können hoffen, dass wir mit mehr und genaueren Messungen und Daten Anzeichen früher erkennen" , sagt der Wissenschaftler vom Deutschen Geoforschungszentrum (GFZ) in Potsdam. Jousset ist Seismologe, Erdbebenkundler und studiert die Aktivität von Vulkanen, unter anderem am Ätna auf Sizilien, Europas größtem und aktivsten Vulkan.
Normalerweise werden Erdbewegungen mit Seismometern oder Seismografen(öffnet im neuen Fenster) oder Geofonen(öffnet im neuen Fenster) gemessen. Doch Jousset und andere nutzen seit einigen Jahren ein anderes Mittel dazu, das oft genug schon zur Verfügung steht: Glasfaserkabel.
Licht findet Fehler in der Faser
Mit einer Technik namens Distributed Fibre Optic Sensing (DFOS) lassen sich Veränderungen in den Lichtwellenleitern erfassen. Dazu werden Lichtpulse durch die Faser geschickt und das zurückgestreute Licht analysiert. Daraus lassen sich Rückschlüsse über Veränderungen in der Glasfaser ziehen. Verschiedene Parameter können durch unterschiedliche Wechselwirkungen des Lichts mit der Glasfaser gemessen werden: Temperatur (Distributed Temperature, DTS) Dehnungsgeschwindigkeit (Distributed Acoustic Sensing, DAS) oder Dehnung (Distributed Strain Sensing, DSS).
Ein Abfragegerät, ein sogenannter Interrogator, sendet etwa 10.000 Laserpulse in der Sekunde in die Glasfaser. An bestimmten Stellen wird das Licht zurückgestreut, etwa an Unreinheiten im Glas. Daran lässt sich eine Signatur für das Kabel erstellen.
Das Licht werde aber auch zurückgestreut, wenn die Faser deformiert werde, sagt Jousset, also gedehnt oder gestaucht. Auslöser können akustische Wellen oder Temperaturänderungen sein, aber auch Bewegungen im Boden.
Solche Ereignisse lassen sich entlang einer Faser verfolgen und mit DAS genau vermessen. "Wir wissen an jeder Stelle entlang der Faser, wie die Faser gedehnt oder gestaucht wird" , beschreibt Jousset das Verfahren.
Jousset belauscht Vulkane
Mit diesem System hat das Team um Jousset und Gilda Currenti vom Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia in Catania die Aktivitäten des Ätna belauscht. Im ersten Jahr nutzte es zwei bereits vorhandene Glasfaserleitungen in den umliegenden Gemeinden und konnte dort Erdbeben detektierten.
Später wollten die Forscher Messungen in der Nähe des Gipfels durchführen. Da gibt es natürlich kein Internet, "also mussten wir die Glasfaser unter dem Vulkan in der Nähe des Gipfels verlegen" , erzählt Jousset. Etwa zwei Kilometer von den Gipfelkratern entfernt, wurde für das Projekt in Piano delle Concazze eine ungefähr 1,3 Kilometer lange Glasfaserleitung 20 Zentimeter unter der Oberfläche verlegt.
Damit konnte die Deformation des Vulkans genauer als bisher vermessen werden. So hätten beispielsweise bei einem Erdbeben die konventionellen Sensoren, die als Array ausgebracht sind, keine spezifischen Details an Verwerfungen erfasst - die Glasfaser hingegen schon. "Das zeigt, dass wir aufgrund der sehr dichten Aufzeichnung Merkmale viel besser erkennen können" , erklärt Jousset.
Sie entdeckten sogar einiges, was sie sich nicht erklären konnten.
Glasfasern mit höherer Auflösung
Seismometer zeichnen Bodenbewegungen auf, aber die Ursache - also, ob etwa ein Auto vorbeigefahren ist oder die Erde gebebt hat - lässt sich aus diesen Daten nur erkennen, wenn die Fakten analysiert werden. "Aber wir wissen zum Beispiel, dass ein Auto ein ziemlich auffälliges Signal erzeugt, wenn es vorbeifährt. Wir können das mit der Faser verfolgen" , erklärt Jousset den Vorteil der Glasfaser. "Eine der interessantesten Eigenschaften dieser Faser ist, dass wir räumlich sehr dicht über Dutzende von Kilometern messen können."
Der zweite Vorteil der Glasfaser gegenüber konventionellen Seismometern ist, dass die Glasfasern empfindlich sind und auch sehr feine Signale erfassen können. So lassen sich kleinere Prozesse besser erkennen.
In einem Fall etwa hätten die Seismometer nur einige sehr kleine Signale aufgezeichnet, die sich kaum von der Vulkanaktivität absetzten. "Mit der Faser sahen wir, dass diese Ereignisse, dieser kleine Tremor, überall aufgezeichnet wurde" , erzählt Jousset. "Niemand hatte diese kleinen Ereignisse zuvor gesehen."
Ein Tourist filmt Entgasungen
Eine Erklärung hatten die Forscher erst einmal nicht parat. Das Video eines Fremdenführers lieferte sie später nach: Er war am Krater und hatte hineingefilmt. "Wir sahen eine sehr kleine Entgasung des Vulkans" , erzählt Jousset, "und wir konnten dies in 2,5 Kilometern Entfernung feststellen." Die Erkenntnisse von der Kampagne am Ätna hat das Team um Jousset und Currenti in der Fachzeitschrift Nature Communications(öffnet im neuen Fenster) beschrieben.
Erstmals getestet hatte das GFZ-Team diese Technik in Island. "Die Idee war, einen großen Sensor zu bauen" , erzählt Jousset. Dazu wollte das Team ein Kabel verlegen. "Man sagte uns, dass es sehr schwierig sei, in Basalt zu graben, und Island ist mit Basalt bedeckt." Die Lösung des Problems war einfach: Es gab bereits ein 15 Kilometer langes Glasfaserkabel, das zwei Geothermie-Kraftwerke auf der Halbinsel Reykjanes im Südwesten der Insel verband. Das konnte das Team für seine Experimente nutzen.
Damit konnten die Wissenschaftler Strukturen im Untergrund aufspüren, die mit den konventionellen Sensornetzen auf der Insel nicht identifiziert werden konnten. Dazu gehörten Verwerfungen und vulkanische Gesteinsgänge, sogenannte Dykes, wie das Team in einer Studie ebenfalls in der Fachzeitschrift Nature Communications(öffnet im neuen Fenster) beschrieb.
Karten und Messergebnisse stimmen überein
Auf die Erfahrungen aus Island konnte Jousset am Ätna zurückgreifen: "Als wir Signale auf dem Bildschirm sahen, sagte ich: Hier ist etwas mit größerer Amplitude, vielleicht eine Verwerfungszone, so wie wir sie in Island gesehen hatten." . Die Kollegen seien überrascht gewesen, als sie auf der geologischen Karte tatsächlich Verwerfungen fanden.
Jousset und Currenti sind aber nicht die einzigen, die Glasfaser einsetzen.
Dark Fibers für die Wissenschaft
In den USA wird seit einigen Jahren daran gearbeitet. Ein großer Nachteil des DAS-Verfahrens ist, dass eine freie Faser gebraucht wird. "Die Glasfaser kann nicht für den Internetverkehr verwendet werden" , sagt Jousset.
Ein Team vom Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums hat erste Experimente deshalb in sogenannten Dark Fibers durchgeführt, nicht genutzten Glasfaserleitungen, die im Dotcom-Rausch um die Jahrtausendwende verlegt und dann nicht genutzt wurden. Es gebe wahrscheinlich Millionen Kilometer an Dark Fiber, sagte Projektleiter Jonathan Ajo-Franklin seinerzeit dem Spiegel(öffnet im neuen Fenster) .
Das US-Energieministerium kaufte rund 21.000 Kilometer Dark Fiber für sein Forschungsnetz Energy Sciences Network(öffnet im neuen Fenster) und stellte 25 Kilometer im US-Bundesstaat Kalifornien davon dem Team um Ajo-Franklin und Biondo Biondi von der Universität in Stanford zur Verfügung. Daneben arbeitet es mit einem Glasfaser-Array in Alaska sowie einer fünf Kilometer langen Glasfaserleitung auf dem Stanford-Campus, wie er in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters(öffnet im neuen Fenster) schrieb.
Glasfasern erfassen Erdbeben
Damit konnte das Team allein zwischen September 2016 und Oktober 2017 über 800 Ereignisse erfassen. Einige davon waren von Menschen herbeigeführt. Es waren zwei lokale Erdbeben mit den Stärken 1,6 und 1,8 darunter. Die Glasfasern detektierten aber auch ein starkes Beben, das mehr als 3.000 Kilometer entfernt in Mexiko stattfand.
Die Glasfasern lassen sich noch anders nutzen: Ein Team um Zhongwen Zhan vom California Institute of Technology in Pasadena nutzte Anfang 2020 im durch die Covid-19-Pandemie ausgelösten Lockdown im Boden verlegte Glasfaserkabel dazu, das Verkehrsaufkommen in Pasadena im Kalifornien zu bestimmen.
Laut Zhan und seinem Team ging das Verkehrsaufkommen zwischen Dezember 2019 und August 2020 deutlich zurück. Dafür sei schneller gefahren worden. "Diese Studie zeigt die Machbarkeit des Einsatzes von Telekommunikations-Glasfaserkabeln für die Verkehrsüberwachung, was Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit, die Wirtschaft und die Verkehrssicherheit hat" , schrieben sie im August vergangenen Jahres in der Fachzeitschrift Nature Communications Earth & Environment(öffnet im neuen Fenster) .
Aber auch unterseeische Glasfaserleitungen lassen sich als seismische Sensoren nutzen.
Unterseekabel als Sensoren
Das hat Zhan zusammen mit Google und der Universität L'Aquila in Italien an dem von Google verlegten Kabel Curie demonstriert. Allerdings ist DAS nur bis auf Entfernungen von 100 Kilometern einsetzbar.
Das Team um Zhan nutzte laut einem Aufsatz in Science(öffnet im neuen Fenster) statt dessen die Polarisation des Lichts, um Veränderungen den Glasfasern zu erkennen. Damit konnten sie an dem 10.000 Kilometer langen Kabel zwischen Dezember 2019 und September 2020 zwanzig Erdbeben ab einer mittleren Stärke nachweisen, darunter ein starkes Beben nahe Oaxaca in Mexiko.
Nachteil dieser Technik ist die fehlende räumliche Auflösung: Damit lässt sich zwar ein Erdbeben erfassen, aber nicht der Ort, wo es stattgefunden hat. Das soll eine andere Technik ermöglichen: Dafür werden die Repeater genutzt, die ohnehin in den Glasfaserkabeln zur Signalverstärkung integriert sind und die einen Teil des empfangenen Lichts zurücksenden.
So lassen sich Veränderungen in den Segmenten des Kabels erfassen. Bei einem Test in einem Transatlantik-Kabel konnte ein Team vom britischen National Physical Laboratory verschiedene Erdbeben erfassen, unter anderem eines in Indonesien, berichteten die Forscher um Giuseppe Marra in der Fachzeitschrift Science(öffnet im neuen Fenster) .
"Eine Methode allein wird nicht alle Fragen beantworten können, die wir haben" , sagt Jousset. "Es ist eine Kombination von Techniken, die helfen können, Prozesse besser zu verstehen. Wir wollen eine Art Modell entwickeln, wie es funktioniert. Wenn wir ein Modell haben, das in verschiedenen Fällen reproduzierbar ist, können wir vielleicht voraussagen, was passiert. Aber so weit sind wir noch nicht."
Aktuell gibt es also noch kein Früherkennungssystem für Erdbeben und Vulkanausbrüche. Aber, sagt Jousset: "Ich würde sagen: Wir arbeiten daran."