Les câbles souterrains prennent le pouls de la planète

Cet article a été initialement publié dans Magazine connaissable.

Andreas Fichtner dépouille un câble de sa gaine protectrice, exposant un noyau de verre plus fin qu’un cheveu – une fibre fragile de quatre kilomètres de long qui est sur le point d’être fusionnée à une autre. C’est une tâche fastidieuse mieux adaptée à un laboratoire, mais Fichtner et sa collègue Sara Klaasen le font au sommet d’une calotte glaciaire venteuse et glaciale.

Après une journée de travail, ils ont épissé trois segments, créant un câble de 12,5 kilomètres de long. Il restera enfoui dans la neige et espionnera l’activité du Grímsvötn, un dangereux volcan islandais recouvert de glaciers.

Assis dans une hutte sur la glace plus tard, l’équipe de Fichtner regarde les murmures sismiques du volcan sous eux clignoter sur un écran d’ordinateur : des tremblements de terre trop petits pour être ressentis mais facilement captés par la fibre optique. « Nous pouvions les voir juste sous nos pieds », dit-il. « Vous êtes assis là et vous sentez le cœur battre du volcan. »

Fichtner, géophysicien à l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich, fait partie d’un groupe de chercheurs utilisant la fibre optique pour prendre le pouls de notre planète. Une grande partie de ce travail est effectué dans des endroits éloignés, du sommet des volcans au fond des mers, où la surveillance traditionnelle est trop coûteuse ou difficile. Là-bas, au cours des cinq dernières années, la fibre optique a commencé à faire la lumière sur les grondements sismiques, les courants océaniques et même les comportements des animaux.

La calotte glaciaire de Grímsvötn, par exemple, repose sur un lac d’eau dégelée par la chaleur du volcan. Les données du nouveau câble révèlent que le champ de glace flottant sert de haut-parleur naturel, amplifiant les tremblements d’en bas. Les travaux suggèrent une nouvelle façon d’écouter l’activité des volcans qui sont recouverts de glace et ainsi de capter les tremblements qui peuvent annoncer des éruptions.

La technique utilisée par l’équipe de Fichtner est appelée détection acoustique distribuée, ou DAS. « C’est presque comme un radar dans la fibre », explique le physicien Giuseppe Marra du National Physical Laboratory du Royaume-Uni, à Teddington, en Angleterre. Alors que le radar utilise les ondes radio réfléchies pour localiser les objets, le DAS utilise la lumière réfléchie pour détecter des événements aussi variés que l’activité sismique et le trafic en mouvement, et pour déterminer où ils se sont produits.

Cela fonctionne comme ceci : une source laser à une extrémité de la fibre émet de courtes impulsions de lumière. Lorsqu’une impulsion se déplace le long de la fibre, la majeure partie de sa lumière continue vers l’avant. Mais une fraction des photons de la lumière heurte les défauts intrinsèques de la fibre, des points de densité anormale. Ces photons se dispersent, certains d’entre eux voyageant jusqu’à la source, où un détecteur analyse cette lumière réfléchie pour obtenir des indices sur ce qui s’est passé le long de la fibre.

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Une fibre optique pour DAS s’étend généralement sur plusieurs à plusieurs dizaines de kilomètres et se déplace ou se plie en réponse aux perturbations de l’environnement. « Il se tortille au fur et à mesure que les voitures passent, que les tremblements de terre se produisent, que les plaques tectoniques se déplacent », explique le géologue Nate Lindsey, co-auteur d’un article de 2021 sur l’utilisation de la fibre optique pour la sismologie dans le Revue annuelle des sciences de la Terre et des planètes. Ces ondulations modifient le signal de lumière réfléchie et permettent aux chercheurs de démêler des informations telles que la façon dont un tremblement de terre a plié un câble à un certain point.

Un câble optique capte les vibrations, par exemple, des secousses sismiques sur toute sa longueur. En revanche, un capteur sismique typique, ou sismomètre, relaie les informations à partir d’un seul endroit. Et les sismomètres peuvent être coûteux à déployer et difficiles à entretenir, explique Lindsey, qui travaille chez FiberSense, une entreprise qui utilise des réseaux de fibre optique pour des applications en milieu urbain.

DAS peut fournir une résolution d’environ un mètre, transformant une fibre de 10 kilomètres en quelque chose comme 10 000 capteurs, explique Lindsey. Les chercheurs peuvent parfois se greffer sur des câbles de télécommunications existants ou déclassés. En 2018, par exemple, un groupe comprenant Lindsey, qui était alors à l’UC Berkeley et au Lawrence Berkeley National Laboratory, a transformé un câble de 20 kilomètres exploité par le Monterey Bay Aquarium Research Institute – normalement utilisé pour filmer les coraux, les vers et les baleines – en un capteur DAS pendant que le système était hors ligne pour maintenance.

« La possibilité de simplement passer sous le fond marin sur des dizaines de kilomètres, c’est remarquable que vous puissiez le faire », déclare Lindsey. « Historiquement, le déploiement d’un capteur sur le fond marin peut coûter 10 millions de dollars. »

Au cours de leur mesure de quatre jours, l’équipe a attrapé un tremblement de terre de magnitude 3,4 secouant le sol à environ 30 kilomètres à Gilroy, en Californie. Pour l’équipe de Lindsey, c’était un coup de chance. Les scientifiques de la Terre peuvent utiliser les signaux sismiques des tremblements de terre pour avoir une idée de la structure du sol traversé par le séisme, et les signaux du câble à fibre optique ont permis à l’équipe d’identifier plusieurs failles sous-marines. « Nous utilisons cette énergie pour illuminer essentiellement cette structure de la faille de San Andreas », explique Lindsey.

Le DAS a été lancé par l’industrie pétrolière et gazière pour surveiller les puits et détecter le gaz dans les trous de forage, mais les chercheurs ont trouvé une variété d’autres utilisations pour la technique. En plus des tremblements de terre, il a été exploité pour surveiller le trafic et le bruit de la construction dans les villes. Dans les métropoles densément peuplées présentant des risques sismiques importants, comme Istanbul, le DAS pourrait aider à cartographier les sédiments et les roches du sous-sol pour révéler quelles zones seraient les plus dangereuses lors d’un grand tremblement de terre, explique Fichtner. Une étude récente a même rapporté avoir écouté des chants de baleines à l’aide d’un câble optique sous-marin près de la Norvège.

Mais DAS est livré avec certaines limitations. Obtenir de bonnes données à partir de fibres de plus de 100 kilomètres est délicat. Les mêmes défauts dans les câbles qui dispersent la lumière, produisant la lumière réfléchie qui est mesurée, peuvent épuiser le signal de la source. Sur une distance suffisante, l’impulsion d’origine serait complètement perdue.

Mais une méthode plus récente et connexe peut fournir une réponse et peut-être permettre aux chercheurs d’espionner un fond marin pour la plupart non surveillé, en utilisant des câbles existants qui transportent les données de milliards d’e-mails et de streaming.

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En 2016, l’équipe de Marra a cherché un moyen de comparer le chronométrage d’horloges atomiques ultraprécises à des endroits éloignés en Europe. Les communications par satellite étant trop lentes pour ce travail, les chercheurs se sont plutôt tournés vers des câbles optiques enterrés. Au début, cela n’a pas fonctionné : les perturbations environnementales introduisaient trop de bruit dans les messages que l’équipe envoyait le long des câbles. Mais les scientifiques ont senti une opportunité. « Ce bruit dont nous voulons nous débarrasser contient en fait des informations très intéressantes », déclare Marra.

En utilisant des méthodes de pointe pour mesurer la fréquence des ondes lumineuses rebondissant le long du câble à fibre optique, Marra et ses collègues ont examiné le bruit et ont découvert que, comme le DAS, leur technique détectait des événements tels que des tremblements de terre grâce à des changements dans les fréquences lumineuses. .

Au lieu d’impulsions, cependant, ils utilisent un faisceau continu de lumière laser. Et contrairement au DAS, la lumière laser va et vient en boucle; puis les chercheurs comparent la lumière qui revient avec ce qu’ils ont émis. Lorsqu’il n’y a pas de perturbations dans le câble, ces deux signaux sont identiques. Mais si la chaleur ou les vibrations de l’environnement perturbent le câble, la fréquence de la lumière se décale.

Avec sa source lumineuse de qualité recherche et la mesure d’une grande quantité de lumière initialement émise, par opposition à ce qui est réfléchi, cette approche fonctionne sur de plus longues distances que le DAS. En 2018, l’équipe de Marra a démontré qu’elle pouvait détecter des tremblements de terre avec des câbles à fibres optiques sous-marins et souterrains jusqu’à 535 kilomètres de long, dépassant de loin la limite du DAS d’environ 100 kilomètres.

Cela offre un moyen de surveiller les systèmes océaniques profonds et terrestres qui sont généralement difficiles à atteindre et rarement suivis à l’aide de capteurs traditionnels. Un câble passant près de l’épicentre d’un tremblement de terre en mer pourrait améliorer les mesures sismiques terrestres, offrant peut-être quelques minutes de plus aux gens pour se préparer à un tsunami et prendre des décisions, dit Marra. Et la capacité de détecter les changements de pression du fond marin peut également ouvrir la porte à la détection directe des tsunamis.

Fin 2021, l’équipe de Marra a réussi à détecter la sismicité à travers l’Atlantique sur un câble optique de 5 860 kilomètres passant sur le fond marin entre Halifax au Canada et Southport en Angleterre. Et ils l’ont fait avec une résolution beaucoup plus grande qu’auparavant, car alors que les mesures précédentes reposaient sur des signaux accumulés sur toute la longueur du câble sous-marin, ce travail a analysé les changements de lumière de plusieurs dizaines de kilomètres entre les répéteurs amplificateurs de signal.

Les fluctuations d’intensité du signal capté sur le câble transatlantique semblent être des courants de marée. « Ce sont essentiellement le câble qui est gratté comme une corde de guitare lorsque les courants montent et descendent », explique Marra. Bien qu’il soit facile d’observer les courants à la surface, les observations des fonds marins peuvent améliorer la compréhension de la circulation océanique et de son rôle dans le climat mondial, ajoute-t-il.

Jusqu’à présent, l’équipe de Marra est la seule à utiliser cette méthode. Ils travaillent à faciliter le déploiement et à fournir des sources lumineuses plus accessibles.

Les chercheurs continuent de pousser les techniques de détection basées sur les fibres optiques vers de nouvelles frontières. Plus tôt cette année, Fichtner et un collègue se sont rendus au Groenland, où le projet East Greenland Ice-Core est en train de forer un trou de forage profond dans la calotte glaciaire pour retirer une carotte de glace. L’équipe de Fichtner a ensuite abaissé à la main un câble à fibre optique de 1 500 mètres et a capté une cascade de tremblements de glace, des grondements résultant du frottement du substratum rocheux et de la calotte glaciaire.

Les tremblements de glace peuvent déformer les calottes glaciaires et contribuer à leur écoulement vers la mer. Mais les chercheurs n’ont pas eu jusqu’à présent le moyen d’enquêter sur la façon dont ils se produisent ; ils sont invisibles en surface. Peut-être que la fibre optique mettra enfin en lumière ses processus cachés.