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(dǎo)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(biāo)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(biāo)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(dān)。
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(xué)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(xué)研究中心擔(dān)任研究科學(xué)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(dāng)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(dāng)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(xué)圣塔芭芭拉分校博士畢業(yè)之后，來到美國加州理工學(xué)院的地震學(xué)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(dǎo)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(biāo)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.
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