Cada vez que enviamos un mensaje, vemos una película en streaming o hacemos una videollamada, la información viaja por una inmensa red de cables de fibra óptica que recorre ciudades, atraviesa montañas y cruza los océanos. Su misión es transportar datos a la velocidad de la luz. Sin embargo, esos mismos cables podrían desempeñar una función completamente distinta: convertirse en una gigantesca red de sensores capaz de detectar terremotos y tsunamis.

Esta sorprendente posibilidad es el objeto de investigación de la Red Sísmica Nacional del Instituto Geográfico Nacional (IGN), donde Sandra Ruiz-Barajas trabaja en el desarrollo de una tecnología conocida como Detección Acústica Distribuida o DAS (Distributed Acoustic Sensing). El objetivo no es sustituir a los sismómetros convencionales, sino aprovechar una infraestructura ya existente para ampliar la vigilancia sísmica, especialmente allí donde instalar instrumentos resulta muy complicado.

Hasta ahora, la vigilancia sísmica se ha basado en una extensa red de estaciones equipadas con sismómetros y acelerómetros. Los primeros son extraordinariamente sensibles y registran terremotos tan pequeños que pasan inadvertidos para la población, mientras que los segundos están diseñados para medir los movimientos intensos del terreno que pueden causar daños en edificios e infraestructuras. Gracias a ellos es posible determinar dónde ha ocurrido un terremoto, cuándo se produjo y cuál fue su magnitud. Pero presentan una limitación evidente: cada instrumento mide únicamente el punto donde está instalado.

La fibra óptica propone una forma completamente distinta de observar la Tierra. Como explica Sandra Ruiz-Barajas, «la fibra óptica no sólo puede ser una infraestructura de telecomunicaciones, sino que puede ir más allá y funcionar como una infraestructura científica». Esa idea abre la puerta a aprovechar miles de kilómetros de cables ya desplegados para convertirlos en una inmensa red distribuida de sensores.

La clave está en un fenómeno físico conocido como “retrodispersión de Rayleigh”. En uno de los extremos del cable se conecta un equipo denominado “interrogador DAS”, que envía continuamente pulsos de láser por el interior de la fibra. Aunque ésta parece perfectamente uniforme, contiene diminutas imperfecciones naturales que dispersan una pequeñísima parte de la luz y la devuelven al equipo. Si el cable se estira o se comprime por el paso de una onda sísmica, cambia ligeramente el recorrido de esa luz reflejada. Comparando la señal enviada con la que regresa, el sistema es capaz de detectar dónde se ha producido la deformación.

Sandra lo resume así: «Lo que medimos con el DAS no es exactamente el movimiento del suelo; lo que estamos midiendo es cómo se deforma la fibra».

Lo realmente ingenioso es que el interrogador analiza la fibra tramo a tramo, como si dividiera el cable en miles de pequeños sensores virtuales. Allí donde un sismómetro convencional ofrece la información correspondiente a un único punto, un solo cable de varias decenas de kilómetros proporciona datos de múltiples puntos en todo su recorrido.

Esa enorme cobertura espacial convierte al DAS en una herramienta especialmente atractiva para lugares donde instalar estaciones sísmicas resulta muy costoso o prácticamente imposible. El ejemplo más evidente son los océanos. Más del 70 % de la superficie terrestre está cubierta por agua y precisamente bajo el mar se originan muchos de los grandes terremotos capaces de generar tsunamis. Instalar sismómetros sobre el fondo oceánico requiere campañas muy complejas y caras. En cambio, ya existen miles de kilómetros de cables submarinos de telecomunicaciones.

“Si podemos aprovechar esta infraestructura que ya está desplegada como sensores sísmicos, nos pueden ayudar a densificar esas zonas y detectar terremotos y tsunamis de una forma más precisa”, explica Sandra.

La tecnología posee, además, una sensibilidad extraordinaria. El cable registra cualquier vibración que alcance la fibra. Puede detectar el paso de un tren, el movimiento de un barco, el canto de una ballena o las ondas generadas por un terremoto. Después será necesario separar unas señales de otras mediante algoritmos de procesamiento y técnicas de inteligencia artificial, pero toda esa información queda registrada.

Precisamente, uno de los mayores desafíos es la enorme cantidad de datos que produce el sistema. Cada cable genera un flujo continuo de información procedente de miles de sensores virtuales. No sólo hay que almacenarla, sino también procesarla en tiempo real para distinguir qué señales son realmente relevantes. “Una de las limitaciones más importantes de esta tecnología es la gran cantidad de información que se genera”, reconoce Sandra, quien añade que ya se están desarrollando algoritmos capaces de seleccionar automáticamente los tramos del cable que ofrecen mejores datos y descartar aquellos menos útiles.

Desde 2020, el IGN desarrolla diversos experimentos para evaluar el potencial de esta técnica. El primero se realizó en Granada gracias a la colaboración con la Universidad de Michigan, utilizando un cable que conectaba el Instituto de Radioastronomía Milimétrica con el telescopio situado en el Pico Veleta. Aunque durante las pocas horas que duró el ensayo no se registró ningún terremoto, los datos obtenidos resultaron muy valiosos para estudiar la estructura superficial del terreno mediante técnicas de interferometría sísmica. Posteriormente llegaron nuevos experimentos utilizando la red de fibra óptica de ADIF y distintos cables terrestres y submarinos.

Uno de los proyectos más ambiciosos en marcha es FERMAT, desarrollado junto con centros del CSIC. El escenario elegido no es casual: el golfo de Cádiz, origen del gran terremoto de Lisboa de 1755, cuyo devastador tsunami afectó a Portugal, España y el norte de África. El objetivo consiste en utilizar los cables submarinos existentes para mejorar la detección temprana tanto de terremotos como de tsunamis e integrar esa información en el sistema nacional de alerta.

La ventaja es evidente. Mientras que hoy el sistema debe esperar a que las ondas sísmicas lleguen a los sismómetros terrestres o a que los mareógrafos detecten el aumento del nivel del mar, un cable submarino podría advertir del paso de la ola decenas de kilómetros antes. “Esos segundos o pocos minutos son, al final, vitales cuando hay que tomar decisiones”, señala Sandra.

Pese a su enorme potencial, Sandra insiste en que esta tecnología no pretende reemplazar a la instrumentación clásica. “La fibra ha venido no para sustituir a los sismómetros, sino para complementarlos”, afirma. La combinación de ambas técnicas permitirá observar la actividad sísmica con una resolución nunca antes alcanzada y extender la vigilancia a regiones donde hasta ahora apenas existían datos.

Quizá, dentro de unos años, la misma red que hoy utilizamos para enviar un correo electrónico o mantener una videoconferencia también contribuya a proteger a millones de personas frente a terremotos y tsunamis. Una infraestructura creada para comunicar a la humanidad podría convertirse, además, en un inmenso oído capaz de escuchar los latidos más profundos de nuestro planeta.

Os invitamos a escuchar a Sandra Ruiz Barajas, Técnica Superior del cuerpo de ingenieros geografos del Instituto Geográfico Nacional (IGN).

Referencias:

Detección de terremotos a través de cables de fibra óptica
The Global DAS Month of February 2023 | Seismological Research Letters | GeoScienceWorld
Ambient noise interferometry using chirped-pulse DAS data for subsurface exploration
PubDAS: A PUBlic Distributed Acoustic Sensing Datasets Repository for Geosciences | Seismological Research Letters | GeoScienceWorld
Near-surface characterization using distributed acoustic sensing in an urban area: Granada, Spain | Geophysical Journal International | Oxford Academic
DAS dataset analysis for reflection imaging with ambient noise in urban areas: Granada, Spain | DIGITAL.CSIC

Datos obtenidos de las mediciones DAS de experimentos:
IGN-ADIF Traintrack, Central Mountain Range (Spain). DAS_MONTH experiment
The Valencia-Islalink Distributed Acoustic Sensing Experiment