海底ケーブルは地震検知の最新ツール

これらの言葉は、あなたの目に届く前に海底ケーブルを通って流れてきたのかもしれません。何十万マイルもの光ファイバーが世界中の海を縦横に走り、メール、Netflixの番組、ニュース記事などを光の束として運んでいます。そして科学的に言えば、その光は実に多くの物語を語ってくれます。陸上で何が起きているかというよりも、深海で何が起きているかという物語です。

先週、サイエンス誌に発表された論文で、研究者たちは、カナダのハリファックスと英国のサウスポートを結ぶ全長3,600マイル（約5,800キロメートル）の海底ケーブルを用いて、嵐、潮汐、地震を検知したと報告しました。ケーブルは海底に敷設されているため、こうした擾乱は光ファイバーに微小ながらも測定可能な擾乱を引き起こし、大西洋を横断する光の速度を変化させます。この変化から、地震などの擾乱の発生場所を特定することができます。 

この技術は干渉計測の一種であり、研究者の間でますます人気が高まっている分散音響センシング（DAS）システムに似ています。このシステムでは、科学者が地中の（未使用の）通信用光ファイバーケーブルにレーザーを照射し、反射波を分析します。車や人が頭上を通過してケーブルを揺らすと、その振動によって光の一部が散乱し、発生源に戻ります。散乱光が移動するのにかかる時間を測定することで、頭上を通過する物体の大きさを推定できます。研究者たちは、イタリアの活火山であるエトナ山の周囲にもケーブルを敷設し、DASを用いてその振動を監視しています。 

この新技術は、海底ケーブル内の中継器と呼ばれる装置を利用します。（線路のわずかな膨らみのように見えます。）下の地図では、中継器は黄色の点で示されています。「通常、60～80キロメートルごとに光増幅器が必要です。これは基本的に、入射光を増幅するものです」と、英国国立物理学研究所の計量学者で、今回の論文の筆頭著者であるジュゼッペ・マーラ氏は述べています。「光は次のスパンを伝搬し、さらに別の増幅器があり、このようにして反対側まで伝搬を続けます。」

各中継器は信号を増幅し、劣化することなく目的地まで到達するようにします。そのため、マーラ氏と彼の同僚たちは、ケーブルを通して独自の信号を送信し、各中継器に到達した際の信号を分析することができました。DASとは異なり、彼らは微量の光を光源に跳ね返す擾乱を解析するのではなく、中継器に到達する光の周波数を解析しようとしています。「擾乱がない場合、安定した信号が得られます。受信する周波数は送信した周波数と同じです」とマーラ氏は言います。しかし、擾乱が発生すると、その周波数は変化します。

この大西洋横断ケーブル、そして他の海底ケーブルにも非常に多くの中継局が設置されているため、ケーブルをいくつかの区間に分割し、それぞれの区間における擾乱を監視することが可能です。下の左側のグラフは、アイルランドとイギリスの海岸線を結ぶケーブル区間における24時間ごとの擾乱を示しています（右側の地図はケーブルの位置を示しています）。約6時間ごとに黄緑色のバースト現象が発生していることに注目してください。驚くべきことに、これは二つの陸地の間の潮汐によってケーブルがギターの弦のように弾かれているのです。「満潮になると、一方向に流れが生じます」とマーラ氏は言います。「ケーブルが『かき鳴らされて』、この信号が発生するのです。」 

同様に、研究チームは、2021年夏にハリケーン・ラリーが大西洋を襲い、ケーブルをさらに揺さぶった際にも低周波信号を検出した。 

下のグラフは、大西洋の真ん中にある3つの区間で検出された地震を示しています。信号がわずかに異なる時刻に届いていることに注目してください。このデータを用いて、研究者たちは震源を三角測量でペルーの地震と特定し、他の科学者が収集した地震データで確認しました。グラフが示すように、地震波は最初にペルーに最も近い区間であるS5を襲い、次にS4、最後にS3を襲いました。 

この種の研究は海底ケーブルに一切手を加える必要がないため、研究者は世界中の海域や海岸線に張り巡らされた、すぐに使えるセンサーの広大なネットワークにアクセスできる。ケーブルがあるところには、潜在的なデータが存在する。「これは本当に興味深い。なぜなら、地球全体を網羅する海底のあらゆる光ファイバーを調査できるからです」と、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る。ジュセ氏は今回の研究には関わっていない（彼はエトナ山でDAS研究を行った）。「地球規模の地震学、地球構造の理解、そして大地震の監視において、この技術は素晴らしいものです。」

マーラ氏は、この技術はさらに発展できると考えている。「この技術の最大の目的は、海底インフラを地震などの巨大な検出器に変えることです」とマーラ氏は言う。「これは、物事をテストするための非常に強力なツールになる可能性があります。」

一つのアイデアは、津波への応用です。将来、地球物理学者が海底ケーブルを使って地震をリアルタイムで検知できるようになれば、津波の圧力が海底光ファイバーに沿ってどのように伝わり、データにどのような乱れが生じるかを監視できるようになるかもしれません。その信号の周波数は、地震や潮汐の周波数とは異なります。 

これはDASと連携して機能するものであり、DASに取って代わるものではないとジュセ氏は付け加える。DASは非常に感度が高く、跳ね返る光の量はごくわずかだ。そのため、短距離では非常に優れた解像度が得られるが、約60マイルまでしか機能せず、それを超えると信号が弱くなりすぎる。海底ケーブルを使用する新しい技術は、はるかに広大な距離をカバーする。しかし、どちらも早期警報ツールとしての有用性がある。DASはエトナ山などの火山を監視して噴火の早期兆候を探り、避難警報を迅速化する。長距離干渉センシングは津波やそれを引き起こす地震を検知する。「これらの技術をすべて組み合わせることで、地球の理解、そして監視においても非常に大きな一歩となるでしょう」とジュセ氏は言う。

この技術が海流を監視できるほどの感度があれば、地球温暖化に伴う海流の変化を研究する気候科学者の助けにもなるかもしれないとマーラ氏は言う。「科学者たちはメキシコ湾流の速度が落ちていると指摘しています。もしそれが事実なら、世界の気候に劇的な影響が出ることは想像に難くありません。」