Tausende von Seismometern auf einem Kabel

Heutzutage sorgen Glasfaserkabel für rasche Datenübertragung und ermöglichen erst das Streaming von Filmen und Serien in HD oder gar 8K-Auflösung. Auch das Arbeiten von zuhause aus ist ohne schnelle und breitbandige Datenübertragung via Glasfaser undenkbar geworden. Aber nicht nur profane Anwendungen sind mit Lichtwellenleitern möglich. Schon länger nutzen beispielsweise Betreiber von kritischer Infrastruktur Glasfasern zur Überwachung ihrer Anlagen.

«Dass man Glasfasern für viele Zwecke nutzen kann, ist nichts Neues», sagt Andreas Fichtner, Professor für Geophysik am Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich. Nun aber ist er zusammen mit Fabian Walter, Professor an der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) daran, den Einsatzbereich von Glasfaserkabeln massiv zu erweitern. So messen die beiden ETH-Professoren auf dem Rhonegletscher in den Schweizer Alpen Gletscherbeben mit einer nie da gewesenen Auflösung.

Während Fichtner vor allem daran interessiert ist, das Potenzial von Glasfaserkabeln für die Seismik (Erdbebenforschung) auszuloten, ist Glaziologe Walter vorwiegend daran interessiert, das Gletschergleiten und die damit zusammenhängenden seismischen Vorgänge im Eis besser zu verstehen: «Besonders interessieren mich Beben, die vom Gletscherbett herkommen.»

Hochaufgelöste Messungen

Ende Juni 2020 verlegten die Forschenden ein neun Kilometer langes Kabel auf der Oberfläche des Rhonegletschers und koppelten es mit einem Messgerät, dem sogenannten Interrogator. Auf der Seitenmoräne schlugen die Forschenden ihre Zelte auf; zwei Monate lang lebten hier wochenweise jeweils zwei Personen, um die Gerätschaften zu überwachen, volle mobile Festplatten auszuwechseln und den Stromgenerator am Laufen zu halten.

Die Technik, die die Forschenden anwenden, ist relativ einfach. Durch die Glasfaser wird permanent ein Lichtstrahl von bestimmter Wellenlänge geschickt. Jeder Druck oder jede Spannung auf das Kabel verändert das Muster der Lichtwellen. Der Interrogator misst die zurücklaufenden Interferenzen, anhand derer die Forschenden dann berechnen können, wo Erschütterungen auftraten und wie stark diese waren. Und das mit sehr hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. «Ein Kabel ersetzt tausende von Seismometern», betont Fichtner. Die Sensitivität ist zwar geringer als die hochwertiger Seismometer, jedoch wird dies durch die enorme Anzahl von Messpunkten bei Weitem kompensiert.

Diese hochaufgelöste Messmethode generiert jedoch einen Datenberg: «Die Auswertungen werden schrecklich», schmunzelt Fichtner. «Wir werden Methoden entwickeln müssen, um die Datenmenge zu meistern.» Bei der Messkampagne dürften rund 20 Terabytes an Rohdaten anfallen, 10 bis 100 Mal mehr, als mit zehn auf dem Gletscher verteilten Seismometern erhoben werden würden.

Minibeben im Sekundentakt

Erste Tests mit einem kurzen Kabel führten Fichtner und Walter im Frühjahr 2019 durch. Darüber haben die Forschenden eine wissenschaftliche Arbeit geschrieben, die vor Kurzem in der Fachzeitschrift «Nature Communications» erschien. Darin zeigten die Forschenden nicht nur auf, welch hohes Potenzial die Methode hat, sondern auch, dass Gletscherbeben vorwiegend in Schwärmen auftreten, insbesondere im Grenzbereich zwischen Eis und Gletscherbett. Solche Cluster würden darauf schliessen lassen, dass das Eis nicht gleite, sondern ruckelnd vorwärtsrutscht. «Laut gängigen Theorien sollte das nicht so sein», erklärt Fabian Walter, «bisher gingen die Glaziologen davon aus, dass das Bett eines Gletschers durch Schmelzwasser gut geschmiert ist, was ein Gleiten zulässt.» Die Minibeben im Rhonegletscher treten zum Teil im Sekundentakt auf.

«Meine neue Hypothese ist, dass das Gletschergleiten vergleichbar ist mit dem Gleiten von tektonischen Platten», ergänzt Walter. Die meisten der im Rhonegletscher gemessenen Erschütterungen haben eine Magnitude von –1 bis –2. «Das entspricht in etwa dem Knacken im Eis beim Schlittschuhlaufen auf einem gefrorenen See», sagt er. «Das kann man nicht spüren wie ein richtiges Erdbeben.»

Aus der Antarktis sind allerdings Gletscherbeben von Magnitude 3 bis 4 bekannt, im Extremfall sogar eines von Magnitude 7. Zum Vergleich: Das Gorkha-Beben in Nepal von 2015 hatte eine Magnitude von 7,8. Der Unterschied sei, dass sich solch grosse Gletscherbeben im Vergleich zu klassischen Erdbeben langsam ereignen und mehrere Minuten dauern können. Dadurch sind sie weniger zerstörerisch als ein Beben an tektonischen Platten.

Erdbebenvorsorge mit Hilfe von Glasfasernetzen

Geophysiker Fichnter indessen will Glasfaserkabel nicht nur zur Messung von Gletscherbeben nutzen. Ihm schwebt vor, dereinst die Glasfasernetze grosser Städte zu verwenden, um den geologischen Untergrund zu untersuchen. Stichwort: Seismische Tomografie. Mit Hilfe dieser Methode können Forschende schwache Gesteinsschichten oder kritische Bruchstellen feststellen. Ziel ist es, anhand der Geschwindigkeit und Laufzeit von Erdbebenwellen, die die Glasfaser auffängt, ein Bild des Untergrunds zu erzeugen, um damit das Erdbebenrisiko besser abschätzen zu können. Denkbar ist, die Glasfasernetze grosser Ballungsräume wie Istanbul, Athen oder San Francisco, die ein grosses Erdbebenrisiko haben, zu nutzen.

Dass dies funktionieren könnte, zeigte Fichtner anhand eines Machbarkeitsversuchs in Bern auf. Dort haben er und seine Mitarbeitenden zusammen mit dem Internetbetreiber Switch seismische Messungen auf einer sechs Kilometer langen, geraden Glasfaser durchgeführt. «Das entspricht etwa 3000 kleineren Seismometern. So viele solche Geräte in dieser Dichte einzurichten, ist schlicht unmöglich», betont Fichtner.

Den Interrogator stellte er im Serverraum der Universität Bern auf. Die Daten, die das Glasfaserkabel lieferte, liessen schliesslich ein detailreiches Bild des Untergrunds von Bern zu. «Bern war das ideale Testgebiet, auch weil die Fasergeometrie sehr einfach war», blickt Fichtner zurück. Dass er auch komplexere Glasfasernetze zu beherrschen lernt, ist eine Frage der Zeit und der Möglichkeit, solche Messungen in grossen Städten durchführen zu können.