使用光纤光缆和传感器来监测和追踪海冰

全球气候变化迅速，气温飙升，冰层正在退缩。科学家们正在转向光纤光缆和传感器来监测和追踪海冰。

新墨西哥大学（UNM；Albuquerque，NM）的研究人员正在使用在电信和石油天然气行业较为成熟的技术。该团队已经利用阿拉斯加北部奥利克托克角海岸外（off the shore of Oliktok Point in northern Alaska海底的电信光缆来监测海冰。

光纤光缆不仅可以用于提供高速数据连接，还可以用于测量沿光缆的地面振动，”UNM的博士后研究员安德烈斯·费利佩·佩纳·卡斯特罗（Andres Felipe Peña Castro）说。

这项工作主要集中在一段37公里（23英里）的光纤光缆上，是在7月至11月之间的过渡性海冰覆盖期间进行的（见图2）。

图2：这张奥利克托克角（Oliktok Point，阿拉斯加）地图显示了海底光缆（灰线）的布局。分布式声学传感记录了光缆前37.4公里的数据。黑色菱形和灰色圆圈分别代表沿光缆5公里和1公里的间隔。插图显示了奥利克托克（红色方块）相对于阿拉斯加的位置。

Adjoining approaches

Peña Castro的团队将分布式声学传感（DAS）探测器连接到光纤光缆的一端，光纤光缆将光脉冲信号发送到各处。光脉冲沿光缆在多个点处反弹，反射光由探测器测量。Peña Castro解释道，它告诉研究人员整条光缆每隔几米会发生多少变形，并指出DAS会产生大量数据并记录多个过程。通过检查反射脉冲时间的变化，他们可以更好地了解由此产生的地震波。

Peña Castro说：“我们使用光纤光缆来识别海洋、地球甚至大气相互作用中可能出现的不同信号。其中一些信号可能是当地的海况和风暴潮、海冰断裂和浅滩。我们希望客观地识别数据中的主要信号类型。”

该技术记录了周围地震噪声和海冰覆盖的精细时空细节变化——这是研究人员没有预料到的。他们也没有预料到这些变化发生的速度有多快，在不到24小时内，突然变化观测到高达约10公里。

研究人员使用分布式声学传感技术，以更高的分辨率（分钟和米）记录了海冰范围的变化。Peña Castro（佩尼亚·卡斯特罗）指出：“我们证明了光纤光缆具有这种能力。而且，其记录范围仅受限于光纤光缆的安装位置，即局部范围。”

通过机器学习，研究团队在其数据中识别出了潜在的模式，以及数据中的主要信号类型，而无需预先假设信号的数量或主导类型。

该团队还在探索其他现象，包括由冰震、船只和海洋哺乳动物产生的信号。“海冰的变化是气候变化的指示器之一。通常，海冰范围的测量主要依赖于卫星观测。然而，研究表明，在北极地区部署的光纤光缆将能够以更详细程度来限制海冰的测量。”

此研究为光纤光缆在气候和地球科学领域的应用开辟了新的可能性。除了海冰监测，这种技术还可应用于其他环境现象的长期、高分辨率监测，如地震活动、火山喷发、海洋环流等。

作者：Justine Murphy







审核编辑：刘清