海嘯是一種全球性災(zāi)害，由海底地質(zhì)活動如地震、山崩或火山爆發(fā)引起的海水突然位移所產(chǎn)生的巨大波浪。
它們有時候造成的破壞極為嚴重，比如 2004 年印度洋海嘯和 2011 年日本的福島海嘯，不僅導致超過 30 萬人死亡，還引發(fā)了如核泄漏等嚴重后果。
因此，建立有效的海嘯預(yù)警系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。目前，DART（Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis）系統(tǒng)是全球廣泛使用的一種預(yù)警機制，該系統(tǒng)由美國國家海洋和大氣管理局監(jiān)管，通過一系列海底壓力計和浮標組成的網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測潛在的海嘯活動。
盡管 DART 系統(tǒng)非常有效，但其安裝和維護成本極高，每個浮標的安裝成本約為 50 萬美元，加上年維護費用 30 萬美元，對于一些資源有限的國家來說，這是一個巨大的負擔。
在過去幾十年里，電信行業(yè)已經(jīng)在全球海底鋪設(shè)了價值高達數(shù)千億美元的光纖電纜網(wǎng)絡(luò)。這些已經(jīng)存在的基礎(chǔ)設(shè)施為開發(fā)更經(jīng)濟高效的預(yù)警系統(tǒng)提供了獨特的機遇。
最近十幾年，通過采用尖端的光學技術(shù)和先進的計算技術(shù)，這些光纖電纜可以被轉(zhuǎn)換成一個高密度的海底傳感器網(wǎng)絡(luò)。
一個關(guān)鍵的創(chuàng)新點在于利用所謂的“暗光纖”，即利用那些已經(jīng)鋪設(shè)但尚未用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w。這種利用方式意味著光纖電纜的主要通信功能不會受到任何干擾，同時能夠?qū)崿F(xiàn)成本效益高的監(jiān)測。
利用暗光纖作為傳感器，可以在不增加顯著成本的情況下，實現(xiàn)對海洋深部的連續(xù)監(jiān)測。
這種方法的成本效益主要體現(xiàn)在充分利用了已有的通信基礎(chǔ)設(shè)施，避免了額外的硬件投資和維護費用。
但是由于光纖傳感器對于低頻的信號監(jiān)測能力較差，所以研究人員一直不能夠用光纖傳感的方法監(jiān)測海嘯。
基于此，目前在德國亥姆霍茲地學研究中心擔任研究科學家一職的肖晗博士和合作者，提出了一種新的陣列方法，首次成功捕捉到了海嘯信號，使得這種監(jiān)測成為可能。
圖 | 肖晗（來源：肖晗）
利用位于美國俄勒岡州沿岸的光纖電纜，他們成功檢測到了來自 17000 公里外桑德威奇群島的地震引發(fā)的海嘯。
值得注意的是，這次海嘯的發(fā)生地點與他們所使用的電纜和設(shè)備并沒有位于同一片海洋。
當該海嘯波及俄勒岡州時，其波高僅為幾厘米，未造成任何明顯破壞。盡管如此，他們依舊成功捕獲到了它的存在。
這一成果不僅展示了光纖傳感技術(shù)在監(jiān)測遙遠海嘯活動方面的潛力，也為全球海嘯預(yù)警系統(tǒng)提供了重要的技術(shù)支撐，證明即便是微弱的海嘯信號也能被有效檢測，從而為提早預(yù)警和減輕潛在損害提供了可能。
當前，海底光纖傳感技術(shù)正開辟著一片新的應(yīng)用領(lǐng)域，它不僅能夠用于海嘯和地震的早期預(yù)警，還能廣泛應(yīng)用于軍事監(jiān)控、船只追蹤、內(nèi)波測量、海洋溫度監(jiān)測以及氣候變化的深入研究。
（來源：Geophysical Research Letters）
對于相關(guān)論文審稿人也評價稱：“看到光纖傳感數(shù)據(jù)能夠探測到這類海洋現(xiàn)象，我感到非常驚訝，因為我從未想過光纖傳感數(shù)據(jù)有足夠的靈敏度去檢測這類長周期波動現(xiàn)象?！?/span>
如前所述，肖晗目前在德國工作。但是這項研究完成于他在美國做博士后期間。
幾年前，肖晗從美國加州大學圣塔芭芭拉分校博士畢業(yè)之后，來到美國加州理工學院的地震學實驗室做博士后。
那時，他想趁著沒有論文發(fā)表畢業(yè)的壓力，做一些之前未被探索、相對“冒險”的研究。因此，他和博后導師一拍即合，決定著手這個新課題。
起初，他們面臨不少挑戰(zhàn)，嘗試了多種傳統(tǒng)方法卻屢屢碰壁，只能捕捉到一些模糊不清的信號。然而，有一晚回家的路上，肖晗忽然意識到他們并沒有充分利用手頭的數(shù)據(jù)。
因此他認為應(yīng)該嘗試新的分析方法來全面挖掘這些數(shù)據(jù)。按照這個想法，第二天他們就捕獲到了明顯的低頻信號，一周后又發(fā)現(xiàn)了高頻海嘯信號。
起初，他們對這是否真的是海嘯信號持保留態(tài)度，因為相關(guān)的研究資料十分有限。但經(jīng)過仔細數(shù)值模擬后，他們確認了這確實是海嘯信號。
雖然一開始他們對結(jié)果感到困惑和不確定，但在實驗室同事的鼓勵和支持下，他們的信心逐漸增強。
最終，相關(guān)論文以《用分布式水聲傳感探測地震亞重力波和海嘯波》（Detection of Earthquake Infragravity and Tsunami Waves With Underwater Distributed Acoustic Sensing）為題發(fā)在 Geophysical Research Letters[1]，肖晗是第一作者兼通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Geophysical Research Letters）
目前，肖晗等人正在開發(fā)一套軟件，這套軟件通過利用人工智能技術(shù)，能夠?qū)崟r從光纖電纜中提取關(guān)鍵信息如海嘯警報，從而為全球提供更經(jīng)濟、更高效的預(yù)警機制。
他希望未來不僅能夠大幅降低海嘯和地震預(yù)警的成本，也能為海洋環(huán)境的持續(xù)監(jiān)測、海底生態(tài)系統(tǒng)的研究提供有力的技術(shù)支持。
此外，肖晗也正在參與一個在德國啟動的、由歐盟十幾個國家共同參與的大項目，該項目旨在進行為期三年的海底光纖觀測研究。
這是一個規(guī)模龐大的跨國合作項目，他和同事在歐洲的多個地點布設(shè)了大量的光纖傳感器。
項目的核心目標是探索海底光纖技術(shù)在實際應(yīng)用中的前景，特別是在海洋觀測和災(zāi)害預(yù)警領(lǐng)域。
而肖晗個人的研究重點在于探索如何將人工智能技術(shù)集成到自動檢測算法中。
他希望通過結(jié)合海底光纖技術(shù)和先進的人工智能，開發(fā)出能夠自動預(yù)警海嘯、地震以及其他自然災(zāi)害的系統(tǒng)，從而為人們爭取更多的逃生時間，確保能被及時轉(zhuǎn)移到安全地帶。
通過這個項目，肖晗期待能夠?qū)⑦@一前沿科技轉(zhuǎn)化為實際的應(yīng)用工具，為全球的災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)對提供創(chuàng)新的解決方案。
參考資料：
1.Xiao, H., Spica, Z. J., Li, J., & Zhan, Z. (2024). Detection of earthquake infragravity and tsunami waves with underwater distributed acoustic sensing. Geophysical Research Letters, 51(2), e2023GL106767.
運營/排版：何晨龍
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