Mit Glasfasernetzen Erdbeben und Tsunamis messen

Ein dichtes Netz von Erdbebenmessstationen ist in reichen Ländern wie der Schweiz eine Selbstverständlichkeit. In weniger entwickelten Ländern und auf dem Grund der Weltmeere ist das nicht der Fall. Während in ärmeren Weltgegenden das Geld für die nötige Anzahl an Sensoren fehlt, müssen in den Ozeanen aufwändige Systeme installiert werden, um die minimalen Druckänderungen in Tausenden von Metern Tiefe zuverlässig zu messen und die Datensignale an die Meeresoberfläche zu bringen.

Zweitverwertung der Rauschunterdrückungsdaten

Wissenschaftler:innen vom Institut für Geophysik der ETH Zürich haben jetzt in Zusammenarbeit mit dem Eidgenössischen Institut für Metrologie METAS eine verblüffende und kostengünstige Methode gefunden, mit der genaue Erdbebenmessungen auch am Ozeanboden und in weniger entwickelten Ländern möglich werden. «Wir nutzen eine Funktion der bestehenden Glasfaserinfrastruktur und gewinnen die Erschütterungsdaten aus der aktiven Rauschunterdrückung, die in der optischen Datenkommunikation die Genauigkeit der Signale erhöht», erklärt Geophysikprofessor Andreas Fichtner. Die Daten der aktiven Rauschunterdrückung müssen dabei lediglich gespeichert und ausgewertet werden. Dazu sind weder zusätzliche Geräte noch teure Infrastruktur nötig.

Erschütterungs-«Lärm» wird ausgelöscht

Um zu verstehen, wie eine Active Phase Noise Cancellation (PNC) Erderschütterungen messen kann, hilft ein Vergleich mit den Rauschunterdrückungssystemen heutiger High-End-Kopfhörer, die den Umgebungslärm für Anwender:innen nahezu vollständig verschwinden lassen. Bei diesen nehmen Mikrofone die Aussengeräusche auf. Praktisch in Echtzeit wird dann genau das Gegensignal in die Tonsignale eingespeist. Dieses Gegensignal löscht die Geräusche von aussen eins zu eins aus und macht sie damit unhörbar.

Im PNC eines optischen Datenkommunikationssystems wird der «Umgebungslärm» in der Glasfaser durch den Vergleich des ursprünglich gesendeten Signals mit einem Teilsignal, das vom Empfänger reflektiert wird, bestimmt. Die Differenz zwischen den beiden Signalen zeigt dann die Störungen an, denen das Lichtsignal auf seinem Weg durch die Glasfaser ausgesetzt war. Genau wie bei der Rauschunterdrückung in Kopfhörern können diese Störungen durch ein entsprechendes Gegensignal ausgelöscht werden.

Deformationen verändern Frequenz minimal

Der «Lärm» in der optischen Datenübertragung entsteht durch mikrometergrosse Verformungen der Fasern. Sie sind die Folge von Deformationen der Erdoberfläche aufgrund von Erdbeben, Wasserwellen, Luftdruckdifferenzen und von menschlichen Aktivitäten. Dabei verkürzt oder verlängert jede Deformation die Faser geringfügig. Dies wiederum führt zu einem sogenannten fotoelastischen Effekt, der die Lichtgeschwindigkeit in der Faser minimal schwanken lässt.

Sowohl die Veränderungen der Faserlänge als auch die Schwankungen der Lichtgeschwindigkeit verändern die Frequenz des Lichtsignals um einen winzigen Faktor. Dieses Phänomen ist schon seit einigen Jahren bekannt und wurde bisher bereits mit speziellen Messinstrumenten zur Messung von Erschütterungen genutzt.

Bei der von den ETH- und METAS-Wissenschaftlern untersuchten Rauschunterdrückung der Glasfaserkommunikation der Schweizer Atomuhren-Infrastruktur sind diese zusätzlichen Messinstrumente überflüssig. Die Deformationen lassen sich einfach aus der Korrektur der Zeitsignale ablesen. Diese korrigiert die Wellenlänge des Signals im Terahertz-Bereich (10¹² Schwingungen pro Sekunde) jeweils um einige hundert Hertz und damit um rund ein Zehntel Milliardstel.

Exakte Übereinstimmung mit Erdbebendienst

So klein die Änderungen sind, so klar ist das Bild, das sie von den Erschütterungen zeigen, denen die Glasfaserkabel während der Beobachtungszeit ausgesetzt sind. «Wir konnten im PNC der Glasfaserverbindung zwischen Basel und dem Atomuhrenstandort am METAS in Bern nicht nur jede einzelne Welle eines Erdbebens von Magnitude 3,9 im Elsass detailliert nachvollziehen», erklärt Fichtner: «Eine Modellierung des Bebens aufgrund unserer Daten entsprach auch äusserst exakt den Messungen des Schweizerischen Erdbebendienstes.»

Diese exakte Übereinstimmung zeigt, dass sich mit den PNC-Daten sowohl der Ort als auch die Tiefe und Stärke eines Bebens mit hoher Genauigkeit bestimmen lassen. «Das ist vor allem für eine lückenlose Tsunami-Warnung oder für die Erdbebenmessung in weniger entwickelten Regionen der Welt sehr interessant», sagt Fichtner.

ETH-Mittel für freie Forschung zahlen sich aus

Vorbildlich ist für Fichtner aber auch die Entstehungsgeschichte der neuen Methode. Die Idee entstand aus einer Diskussion der ETH-Forschenden mit einem Spezialisten von METAS. Und so schnell wie das ETH-METAS-Team das Potenzial der PNC-Daten erkannte, so schnell konnte es die Idee umsetzen. «Damit überraschende Wissenschaft entstehen kann, müssen Gelder für Forschungsaktivitäten zur Verfügung stehen, die keinem vorher definierten Ziel folgen», betont Fichtner: «Die ETH ist für ein solches Projekt ideal. Im Gegensatz zu vielen anderen Hochschulen stehen mir hier als Forscher auch ungebundene Mittel zur Verfügung.»