冰川上的光纤电缆：自然灾害监测领域的新前沿
全球气候变化的灾害效应与风险预测已成为地球科学与资源环境领域亟须解决的重大课题。其中，一大核心问题便是对自然灾害的预测预警。用于上网和打电话的光纤电缆或许可以帮助人们对山体滑坡或冰川崩塌进行预测，而瑞士的相关研究项目则正在为自然灾害的监测工作开辟新的途径。
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今年5月28日，坐落于瑞士阿尔卑斯山脉地区的伯奇冰川(Birchgletscher)突然发生崩塌。这一事件瞬间成为了全球新闻关注的焦点。由冰块、泥浆和碎石形成的巨大规模山体滑坡吞噬了瑞士瓦莱州城镇布拉滕(Blatten)的大部分地区，而在此之前，该城镇的居民均已得到疏散。与此同时，伯奇冰川崩塌引发的山体滑坡也被视为了瑞士近代史上最为严重的自然灾害之一。
事实上，上述这类事件较为罕见。然而，一份对安第斯山脉、高加索山脉和世界其他山脉地区过往冰川崩塌现象的起因作出分析的研究报告却显示，此类自然灾害发生的频率可能远远高于人们的想象。根据这项研究，虽然人们目前尚无法明确判断出冰川崩塌具体将在何处发生，但包括冰川表面坡度在内的一些参考因素却能有效帮助人们对特定区域内潜在的崩塌现象进行预测。
由冰块和岩石形成的山体滑坡成因虽各有不同，但通常与当地的地质条件和地形密切相关。然而，气候的变化却有可能增加冰川崩塌发生的概率。换句话说，气温的升高不仅将加速冰川的融解，还将引发冰川裂缝的形成，并最终导致山体坡面失去自身的稳定性。
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基于上述情况，以更为谨慎的态度对风险区域进行监测俨然已成为当下迫在眉睫的一项重要任务。唯有如此，人类居住的村落和当地的基础设施方可得到足够的保护，从而免受自然灾害的摧残。通过卫星图像、摄像机和雷达装置，人们能够对冰川的演变和运动进行观察，而布拉滕的居民之所以得以提前撤离，恰恰得益于这类观察。然而，针对冰川内部产生的变化，这些技术可提供的信息却十分有限。
值得欣慰的是，在瑞士和阿拉斯加等其它山脉地区国家的研究人员看来，冰川崩塌监测难题的解决方案已然浮出水面，亦即利用光纤电缆来探测冰川的微振动和潜在的不稳定先兆信号。
瑞士苏黎世联邦理工学院(ETHZ)的地震学家托马斯·哈德森(Thomas Hudson)向本网站表示，光纤能帮助人们探测到其它技术无法测量到的极其轻微的地震活动。
最近，哈德森向美国地震学会(Seismological Society of America)提交了他在瑞士冰川上进行的实验结果。这位专家表示：“可以肯定的是，光纤将有助于完善我们的冰川监测系统。”
阿尔卑斯冰川上的光纤
2023年，苏黎世联邦理工学院的研究小组在瑞士的戈尔纳冰川(Gornergletscher)上铺设了长达1.2公里的光纤电缆。与此同时，研究人员还将一台被称为询问器的装置连接到了这些光纤上, 而该装置可通过光导纤维发送出激光脉冲。
冰川中的地震波会拉伸或压缩光纤，从而导致脉冲在返回时发生改变。这项被命名为分布式声波传感(Distributed Acoustic Sensing，DAS)的技术可将光纤转化为由数百个地震传感器组成的带状结构。
光纤分布式声波传感(DAS)是一种利用光纤中后向瑞利散射定位和恢复光纤链路上任意位置环境物理量变化的先进感知技术，具有环境适应性强、传感范围大、信道间光速同步、时空分辨精度高等优势。目前，DAS技术已经在地球物理勘探与地震学、油气资源勘探以及一系列线性基础设施安全在线监测等领域展示出独特的技术优势和巨大的应用潜力，其应用领域仍在进一步的拓展中。
基于光纤瑞利散射的DAS技术从强度检测的定性阶段逐渐发展到波形恢复的定量阶段。前者又称为光纤分布式振动传感(DVS)技术，仅对整条光纤链路的振动事件进行定位和事件频率信息表征，其主要对振动信号定性检测，无法正确恢复振动信号的波形信息。后者则为狭义的DAS技术，大多通过解调单色光脉冲的散射相位信息或调谐光波的散射频率信息，获取光波时延信息并线性重建外界扰动变化。
DAS技术的发展脉络可以按调制脉冲的频率成分依次划分为单频脉冲DAS技术、多频脉冲DAS技术和线性调频(LFM)脉冲DAS技术。线性频率调制是一种综合连续波形和脉冲波形优势的扩频调制技术，可打破脉冲宽度和空间分辨率的限制，被广泛应用于雷达和激光雷达的距离和速度测量。(资料来源：中国激光杂志社)
一些地震信号或霜震现象(cryoseism)产生于冰川内部形成的裂缝之中。这些裂缝会让融水渗入到冰川深处，因此将对冰川的稳定性造成破坏。如此一来，不仅冰川下沉的风险会增加，冰川的下游运动也会加快。(译者注：霜震是指当天气与土地处于潮湿且饱和的状态下，地面上与地面下的水分会因气温急剧下降而结冰并导致土地体积发生膨胀。冰冻状态下的土地将被撑开并发出巨响，或出现地震一般的短暂摇晃。)
>>观看瑞士伯奇冰川崩塌的视频(2025 年 5 月 28 日)：
监测整座冰川的技术
托马斯·哈德森在冰川中记录到的地震波每日多达上千次。这位专家目前尚未了解这种地震活动的确切含义，也无法肯定这类波动是否属于一种可引发冰川崩塌的异常现象。但在未来，这些震动现象或许能为人们了解冰川内部变化提供有用的线索
对此，哈德森表示：“地震活动的突然增加可能预示着一场冰川崩塌即将到来。”
光纤还能为人们提供和冰的结构与成分有关的信息。瑞士联邦森林、雪与景观研究所(WSL)的块体运动专家法比安·沃尔特(Fabian Walter)表示，与被放置在特定位置上的传统地震传感器相比，光纤的优势在于其相对简单的安装有利于人们对更大范围的区域进行监测。
作为首批在冰川上测试光纤应用的研究人员之一，沃尔特认为，这项技术有望帮助人们监测整座冰川，哪怕冰川所在地区的交通极为不便。2019年，该专家在同样位于瑞士境内的罗讷冰川上(Rhonegletscher)发现了新型地震波。
作为本文开头提到的冰川崩塌研究报告的作者，奥斯陆大学自然地理与水文学教授安德烈亚斯·马克斯·卡布(Andreas Max Kääb)十分看好光纤技术的发展前景。在写给本网站的一封电子邮件中，该专家表达了对这项技术的认同：“岩壁或冰川活动的加速往往伴随着震动的加剧，所以，将光纤用于冰川监测毋庸置疑是个绝妙的主意。”
卡布继续介绍道，人们接下来的任务便是准确解读通过光纤记录下来的信号。该专家表示：“可以肯定的是，至少在某些情况下，光导纤维能够提供一些和冰川运动加速背后那些肉眼看不见的过程有关的重要信息。对此，我深信不疑。”
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地震、雪崩和泥石流
利用光纤来探测地震活动早有先例。事实上，分布式声波传感技术长期以来被用于海底光纤电缆之中，用来定位深海地震和火山活动。然而，直到近年来，人们才将其用途逐渐扩展到其它自然灾害的探测领域。从这一层面上来说，法比安·沃尔特将瑞士视为“在该技术应用方面的先驱国家之一”。
2022年，光纤首次被用于探测瑞士的雪崩。2023年，瑞士格劳宾登州的布里恩茨村(Brienz)附近发生了大规模山体滑坡，而光导纤维则成功帮助人们对那次山体滑坡之前出现的小规模岩崩进行了测量。
在光纤探测技术的研究方面，瑞士和其他国家尤其注重对泥石流现象的监测。毫无疑问，泥石流是地球上最为普遍，也最具灾难性和破坏力的自然灾害之一。
沃尔特观察到的一个有趣现象是，用于电信技术方面的光纤电缆实际上已经在公路和铁路沿线以及某些基础设施附近的地下空间里得以应用。值得一提的是，这些光纤电缆在全球范围内的总长度约高达40亿公里。
尽管一条光纤电缆包含了数量庞大的纤丝，但并非所有纤丝都处于工作状态。从技术的角度出发，人们只需将一台分布式声波传感询问器连接到一节尚未被使用的纤丝或暗光纤(dark fiber)的末端即可，而该设备则可通过整条光纤发送出激光脉冲，将其打造成一个跨越数十公里的监测系统。
雷达系统虽然精准，但只能对山区的部分区域进行监控。与之不同的是，光纤电缆系统却可以探测到整个山谷的物质运动。得益于这种优势，光纤电缆对于那些尚未确立特定高风险区域的地区来说尤为具备实用价值。
沃尔特表示：“我们的经验表明，要想通过光纤电缆来进行监测工作，只需将光导纤维放置在距离不稳定山坡一公里以内的区域中即可。”
沃尔特认为，当下面临的一大挑战是开发出一种全新的人工智能算法。该算法可自动识别相关信号，譬如将岩石运动与动物的移动区分开来。
斯里兰卡乌瓦韦拉萨大学(Uva Wellassa University)的马杜布哈希塔·赫拉特(Madhubhashitha Herath)曾撰写过一份关于在自然灾害监测中使用光纤的分析报告。这位专家表示，光纤电缆系统一旦探测到重大的物质运动，譬如那些可能导致山体滑坡或冰川崩塌的活动，便将立即发出预警，从而让人们有时间在灾难来临之前及时作出反应。
赫拉特表示，光纤电缆本身拥有相对便宜的价格和较低的运营与维护成本。在给本网站的一封电子邮件中，该专家写道：“价格与成本上的优势使这项技术不仅适用于发达国家，也适用于发展中国家。”
在市场调研公司Omdia发布的2021年光纤发展指数白皮书中，新加坡、韩国、阿联酋、中国和卡塔尔位居全球前五。
该光纤发展指数报告对81个国家和地区的光纤发展进行了跟踪和衡量。Omdia指出，排名前五的国家均受益于强有力的国家宽带计划。
主流大国中，美国仅排名第18位，不仅远远落后于中国，甚至落后于俄罗斯(排名第16)。据悉，美国、澳大利亚和英国等发达国家的光纤发展指数落后，主要原因在于缺乏明确或激进的国家计划。
其它主要大国中，日本位居第6，西班牙位居第7，法国位居第15，加拿大位居第21，意大利、德国和英国则远远落后。(资料来源：OFweek 光通讯网)
利用光纤监测最危险的冰川
苏黎世联邦理工学院的托马斯·哈德森坚信，在不远的未来，人们将在最不稳定的冰川上铺设数公里长的光纤。该专家表示：“只需用光纤覆盖住悬冰川的前端即可，因为那里是最有可能发生坍塌的部位。”
然而，在哈德森看来，“每道冰川都是独一无二的存在”。因此，针对每道独立的冰川，光纤电缆系统也必须以不同的方式来进行校准。与此同时，他也强调了该领域的一大难题：“冰川的裂缝数量超过怎样的临界值便有可能导致坍塌？迄今为止，我们仍未找出答案。”
光导纤维技术将针对包括卫星图像和雷达装置在内的现有监测技术作出意义重大的补充。哈德森表示：“通过将冰川表面变化的观测结果与冰川内部的深度观测相结合，我们有望进一步完善最危险冰川的监测工作。”
(编辑：Gabe Bullard/vdv，编译自意大利文：Jun Aikens)
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