الاستشعار الجيوفيزيائي باستخدام مصفوفات جونز المستخرجة من محولات كابلات الألياف البصرية البحرية الحاملة لحركة مرور حية

تحويل كابلات الإنترنت العالمية إلى آذان للزلازل

تجتاز كميات هائلة من البيانات المحيطات يومياً عبر ألياف زجاجية رفيعة مدفونة في قاع البحر. تُظهر هذه الدراسة أن تلك الكابلات نفسها يمكن أن تعمل بهدوء كشبكة عالمية من الآذان البحرية، تستمع إلى الزلازل والتحركات الطفيفة في المحيط، وذلك دون التنصت على البيانات أو كشف محتواها. من خلال مراقبة الطريقة التي ينحرف بها الضوء داخل الألياف بفعل البيئة، يبرهن المؤلفون على طريقة قوية جديدة لمراقبة كوكبنا القلِق باستخدام بنية تحتية موجودة بالفعل.

كيف يشعر الضوء في الكابل بحركة الأرض

الضوء المار داخل ليف بصري لا يسير ببساطة في خط مستقيم؛ فالمجال الكهربائي له له اتجاه، أو استقطاب، يمكن أن يدور أثناء انتشاره. يُلخّص هذا الدوران رياضياً في ما يسميه المهندسون مصفوفة جونز، التي تصف كيف يتحول أي استقطاب دخلية عند خروجه من الطرف البعيد للكابل. الفكرة الأساسية في هذا العمل أن مصفوفة جونز حساسة لكل ما يتعرض له الكابل على امتداده: ضغط أمواج البحر، التحولات البطيئة في رواسب قاع البحر، والتشوهات السريعة الناتجة عن الأمواج الزلزالية العابرة. تقوم مستقبلات التوافق الحديثة في أنظمة الاتصالات بالفعل بإعادة بناء هذه المصفوفة في الزمن الحقيقي للحفاظ على نقاء الإشارة، والأهم أن استخراجها ممكن دون الكشف عن محتوى البيانات المنقولة.

من رياضيات معقدة إلى إشارة استشعار بسيطة

في الواقع، الألياف غير مثالية: تتغير خصائصها الداخلية عشوائياً كل عدة عشرات من الأمتار، ويتكرر خلط واسترسال استقطاب الضوء. يطور المؤلفون إطاراً صارماً لفصل التغيرات البطيئة والخلفية في الكابل عن التغيرات السريعة والصغيرة الناتجة عن الأحداث البيئية. يعبرون عن مصفوفة جونز كطور عام ومتجه دوران يصف كيف يُقلب الاستقطاب على كرة هندسية. من خلال الانتقال رياضياً إلى «إطار مرجعي» دوّار يتبع الانجراف البطيء، يعزلون فقط متجه الدوران المتقلب الصغير الذي يشفر تغيرات الضغط المحلية على طول الكابل. تتبيّن أن هذه التقلبات تتناسب مباشرة مع كيفية تغير الضغط الهيدروستاتيكي لمياه البحر في الزمان والمكان، وهذا بالضبط ما يهتم به الزلزاليون والمحيطيون.

الاستماع إلى قاع البحر في المتوسط في الزمن الحقيقي

اختبر الفريق هذه النظرية على نظام MedNautilus البحري التابع لشركة Sparkle، الذي يربط كاتانيا في صقلية مع حيفا وتل أبيب في إسرائيل. باستخدام محولات تجارية تعمل تحت ظروف حركة مرور عادية، أخذوا عينات من مصفوفات جونز كل نصف ثانية لعدة أيام. بعد المعالجة، حسبوا طيفيات زمن–تردد لمكونات متجه الدوران الثلاثة ثم جمعوها لتشكيل مقياس واحد لاضطراب الاستقطاب لا يعتمد على الاتجاه. على كل من رابطتي كاتانيا–حيفا وكاتانيا–تل أبيب ظهرت ميزة واضحة وحادة عند وقت زلزال بقوة 5.8 قرب جزر دوديكانيز في 2 يونيو 2025. وقد تكرر نفس البصمة في إشارات تسافر في اتجاهين متعاكسين وفي ألياف مختلفة تشارك نفس الكابل، مؤكدة أن التأثير نابع من قاع البحر وليس من الإلكترونيات.

ما يكشفه الكابل عن الزلزال

من خلال فحص آثار زمنية مفصّلة لتغيرات الاستقطاب وتطبيق مرشحات بسيطة لإخماد الضوضاء الخلفية البطيئة، استطاع المؤلفون تقدير متى وصلت أول وأسرع الموجات الزلزالية إلى كل كابل. على مقطع كاتانيا–حيفا، وصل الإشارة بعد حوالي 30 ثانية من زمن نشأة الزلزال؛ وعلى كابل كاتانيا–تل أبيب الأكثر بعداً، ظهرت بعد نحو 116 ثانية. يجري الجمع بين أوقات الوصول هذه ومواقع الكابلات المعروفة ومركز الزلزال لإنتاج سرعات انتشار للموجات الأولية تقدر بحوالي 4.3–4.7 كيلومتر في الثانية، وهو ما يتوافق مع قشرة غنية بالرواسب تحت شرق البحر المتوسط. كما كشفت الطيفيات عن رنانات وميكروزلازل مرتبطة بالمد والجزر، وأنماط صوتية، وطبقات رُسوبية سميكة، خاصة على المسار الذي يعبر دلتا النيل.

مستشعر هادئ وعالمي مخفي في مرأى الجميع

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن كابلات الإنترنت البحرية الحالية يمكن أن تعمل أيضاً كمستشعرات جيوفيزيائية حساسة وعاملة دائماً، دون تركيب أجهزة جديدة أو مقاطعة حركة البيانات. من خلال إعادة استخدام معلومات الاستقطاب التي تحسبها أنظمة الاتصالات بالفعل لتصحيح الإشارة، يمكن لهذه الطريقة اكتشاف الزلازل، وتتبع كيفية تحرك الأمواج الزلزالية عبر الرواسب، واستشعار تغيرات الضغط الدقيقة في أعماق البحر. ولأن المنهج مقاوم للتشويش العشوائي لاستقطاب الضوء داخل الألياف ولا يكشف بيانات المستخدمين، فإنه يقدم مساراً عملياً نحو تحويل شبكة الاتصالات البحرية العالمية إلى مرصد سلبي واسع النطاق لكوكبنا الديناميكي.

الاستشهاد: Antonio Mecozzi, Cristian Antonelli, Alberto Marullo, Danilo Decaroli, Luca Palmieri, Luca Schenato, Siddharth Varughese, Pierre Mertz, and Antonio Napoli, "Geophysical sensing using Jones matrices extracted from submarine optical cable transceivers carrying live traffic," Optica 12, 1712-1719 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.572883

الكلمات المفتاحية: كابلات الألياف الضوئية البحرية, كشف الزلازل, استشعار بالألياف الضوئية, مراقبة الاستقطاب, الجيولوجيا البحرية