科学者たちが光ファイバーケーブルでエトナ山を監視

11,000フィート（約3,300メートル）の高山にそびえ立つエトナ山は、地球上で最も綿密に監視されている火山の一つです。山腹には数百ものセンサーが設置されていますが、それには十分な理由があります。ヨーロッパで最も活発な火山であり、定期的に溶岩や巨大な噴煙を噴き出し、飛行機を滑落させたり、その麓に住む人々の生活を苦しめたりするからです。

しかし今、科学者たちは、インターネットに使われている光ファイバーケーブルのような、思いもよらぬ新しい監視装置を使ってエトナ山を監視している。先週、ネイチャー・コミュニケーションズ誌に発表された論文で、研究者たちは分散音響センシング（DAS）と呼ばれる技術を用いて、従来のセンサーでは捉えられなかった地震信号を捉えたと報告している。これは、イタリア周辺地域の人々が頼りにしている早期警報システムの改善に役立つ可能性がある。世界中でさらに何百万人もの人々が、規模の大小を問わず、大混乱を引き起こす活火山の脅威にさらされている。

DASは（失礼ですが）科学に大きな変革をもたらしています。1990年代にインターネットが成長していた頃、通信事業者は必要以上に光ファイバーケーブルを敷設してしまいました。ケーブル自体の素材費が、埋設に必要な労働力に比べて安価だったからです。その余剰ケーブルは使われず、つまり「ダーク」状態のまま残され、科学者たちはそれを貸し出してDAS実験を行うことができます。エンジニアは地盤変動の監視に、地球物理学者は地震の研究に、生物学者は海底ケーブルを使ってクジラの鳴き声の振動を拾うのにさえ利用しています。 

光ファイバーは、信号を光パルスとしてA地点からB地点へ伝送することで機能します。しかし、例えば地震などでケーブルが乱れると、その光のごく一部が発信源に跳ね返ってしまいます。これを測定するために、科学者たちは「インテロゲータ」を使用します。これは、光ファイバーを通してレーザーを照射し、返ってきた光を分析する装置です。研究者たちは光の速度を知っているため、ケーブル上の様々な長さにおける乱れを特定できます。例えば、60フィート離れた場所で何かが起こった場合、その光はインテロゲータに到達するまでに、50フィート離れた場所で何かが起こった場合よりもわずかに長い時間がかかります。 

これらの測定は非常に高感度です。例えば、2020年春、新型コロナウイルス感染症によるロックダウンの初期段階、ペンシルベニア州立大学の科学者たちは、キャンパス内に埋設されたダークファイバーオプティクスを用いて、歩行者や車両の動きが減少、そして再び増加する様子を観測しました。彼らは地上の振動の周波数から、その発生源を特定することさえできました。人間の足音は1～5ヘルツですが、車の交通量は40～50ヘルツです。

この新たな研究は、同じアイデアに基づいていますが、研究者たちは活火山で研究を行いました。通信会社はエトナ山に光ファイバーを敷設しようとはしなかったため、研究者たちは火山の縁からそれほど遠くない場所に、長さ約1.5キロメートル、深さ約30センチ未満の溝を掘り、独自の光ファイバーを埋めました。 

上の画像では、光ファイバーケーブルの設置場所が分かります。2本の分岐は白と黒で縁取られています（赤と黄色の線は断層です）。ケーブル線に沿って走る点は、科学者たちが従来のセンサーを設置した地点です。例えば、振り子を使って動きを検知する地震計や、地盤の動きを電気信号に変換する受振器などです。これらのセンサーとケーブルは、C666、C667といった地点に同じ場所に設置されていたため、研究者たちは異なる手法で活動がどのように監視されているかを比較することができました。

上の画像は、2018年9月の火山爆発（本格的な噴火ではない）がDASネットワークにどのように映ったかを示しています。観測所は図の上部に示されています。赤と青は、ケーブルの長さに沿って6フィートごとに、ある時点におけるケーブルの変形、つまり「ひずみ率」を表しています。「つまり、ケーブル自体が伸びたり縮んだりすると、信号にそれが反映されるのです」と、この研究論文の共著者であるドイツ地球科学研究センター・ベルリン工科大学の地質学者、シャーロット・クラウチク氏は述べています。「他の地震観測装置では、そのようなことはしません。私たちは地表の加速度などを計測しています。」 

C671の赤と青の縦縞が濃くなっているのが分かります。これは信号の振幅が増加していることを示しています。地図をもう一度見てみると、C671が断層の真上にあることがわかります。「おそらく、この辺りは地盤の密度と速度が異なる領域でしょう」と、論文の筆頭著者であるドイツ地球科学研究センターの地質学者フィリップ・ジュセ氏は述べています。この変化が、エネルギーが地球を波打つ様子、ひいてはDASによる地震の読み取り方を変化させます。

このケーブルは、従来のセンサーでは見逃されたり、ほとんど認識できなかった他の火山現象も検知しました。例えば、火山が水蒸気や二酸化炭素などのガスを噴出させるガス放出現象を捉えました。当時エトナ山にいた人々は、実際にこの様子をビデオに録画していました。まさに地上検証の真髄と言えるでしょう。DASはまた、「単発微動パルス」も記録しました。これは信号の周波数が低いため、ガス放出とは区別できるものでした（ペンシルベニア州立大学の研究で、車と歩行者が区別されていたことを思い出してください）。研究者たちは、これらのパルスは深部におけるガスまたは液体の動きであり、それがガス放出現象を引き起こしている可能性があると考えています。 

これらすべてがファイバーデータに明確に示されていますが、従来のセンサーでは不十分でした。「DASの主な利点の一つは、DASが多くの周波数の音を拾えることですが、これは見落とされがちです」と、テルアビブ大学でこの技術を使用しているが、今回の研究には関与していない地球物理学者のアリエル・ルルーシュ氏は述べています。一方、インフラサウンドセンサーは低周波音しか拾いません。さらに、DASはメンテナンスが容易です。「従来のセンサーは遠隔測定が必要で、バッテリーが必要になることもあり、交換も必要ですが、ファイバーはただそこに設置されているだけです」とルルーシュ氏は言います。

DASは従来の火山監視方法を補完する可能性があると、イタリア国立地球物理火山研究所でエトナ山を研究するマルコ・アロイシ氏は述べている。アロイシ氏は今回の研究には関わっていない。エトナ山は周辺に多くの人が住んでいるため、約200の監視ステーションが設置され、厳重に監視されている。しかし、これには多くの人的資源が必要であり、活火山に人が滞在する時間は短いほど良い。「真の課題は、システム全体を継続的に運用するために、多くの人材と信頼性の高い技術を確保することです」とアロイシ氏は語る。 

一方、DASはより受動的なシステムです。ケーブルを敷設すれば、データが流れ込んできます。「ある意味、光ファイバーを使って地震観測所を建設しているようなものです」とルルーシュ氏は言います。「そして、大規模な噴火で光ファイバーが溶けてしまっていない限り、何年も経ってからでもデータを復旧できます。」 

論文の著者らは、数マイルにも及ぶケーブルを試用し、さらに多くのデータを取得したいと考えています。将来的には、科学者たちが火山の周囲を一周し、360度データを提供することで、近年の早期警報システムの改良をさらに進めることも可能になるかもしれません。

例えば、2001年7月のエトナ山の爆発的な噴火の1週間前、GPS機器で収集されたデータは、監視ステーションの間隔が広がっていることを示しており、エトナ山が深部から上昇してきたマグマで隆起していることを示していました。当時は現在のようなリアルタイム監視は行われていなかったため、科学者がデータを処理して警報を発令するまでに数日かかりました（幸いなことに、この場合は早い段階で噴火が人間にとって深刻な脅威にはならないと分かっていました）。アロイシ氏は、DASは従来のセンサーが見逃す信号を拾うことができ、警報システムをさらに改良できる可能性があると述べています。「この技術により、小さな信号の検出、詳細な構造画像化、そしてマグマプロセスの根底にあるダイナミクスのより鋭い理解が可能になります」とアロイシ氏は言います。

警報が早ければ早いほど、人々はより早く避難でき、より多くの命を救うことができます。「人々に警告を発し、事態から逃れる手助けをするために、この時間を延ばすこと。これが常に私たちの目的です」とクラウチク氏は言います。「どのようなプロセスが前兆となり、それが警報の新たな基準となるのかをより深く理解できれば、これは驚くべき新たな知見となるでしょう。」

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