海嘯是一種全球性災害，由海底地質活動如地震、山崩或火山爆發引起的海水突然位移所產生的巨大波浪。
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，不僅導致超過 30 萬人死亡，還引發了如核泄漏等嚴重後果。
因此，建立有效的海嘯預警系統顯得至關重要。目前，DART（Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis）系統是全球廣泛使用的一種預警機制，該系統由美國國家海洋暨大氣總署監管，透過一系列海底壓力計和浮標組成的網路來監測潛在的海嘯活動。
盡管 DART 系統非常有效，但其安裝和維護成本極高，每個浮標的安裝成本約為 50 萬美元，加上年維護費用 30 萬美元，對於一些資源有限的國家來說，這是一個巨大的負擔。
在過去幾十年裏，電信行業已經在全球海底鋪設了價值高達數千億美元的光纖電纜網路。這些已經存在的基礎設施為開發更經濟高效的預警系統提供了獨特的機遇。
最近十幾年，透過采用尖端的光學技術和先進的計算技術，這些光纖電纜可以被轉換成一個高密度的海底傳感器網路。
一個關鍵的創新點在於利用所謂的「暗光纖」，即利用那些已經鋪設但尚未用於數據傳輸的光纖。這種利用方式意味著光纖電纜的主要通訊功能不會受到任何幹擾，同時能夠實作成本效益高的監測。
利用暗光纖作為傳感器，可以在不增加顯著成本的情況下，實作對海洋深部的連續監測。
這種方法的成本效益主要體現在充分利用了已有的通訊基礎設施，避免了額外的硬體投資和維護費用。
但是由於光纖傳感器對於低頻的訊號監測能力較差，所以研究人員一直不能夠用光纖傳感的方法監測海嘯。
基於此，目前在德國亥姆霍茲地學研究中心擔任研究科學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訊號，使得這種監測成為可能。
圖 | 肖晗（來源：肖晗）
利用位於美國奧勒岡州沿岸的光纖電纜，他們成功檢測到了來自 17000 公裏外桑德威奇群島的地震引發的海嘯。
值得註意的是，這次海嘯的發生地點與他們所使用的電纜和裝置並沒有位於同一片海洋。
當該海嘯波及奧勒岡州時，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在監測遙遠海嘯活動方面的潛力，也為全球海嘯預警系統提供了重要的技術支撐，證明即便是微弱的海嘯訊號也能被有效檢測，從而為提早預警和減輕潛在損害提供了可能。
當前，海底光纖傳感技術正開辟著一片新的套用領域，它不僅能夠用於海嘯和地震的早期預警，還能廣泛套用於軍事監控、船只追蹤、內波測量、海洋溫度監測以及氣候變遷的深入研究。
對於相關論文審稿人也評價稱：「看到光纖傳感數據能夠探測到這類海洋現象，我感到非常驚訝，因為我從未想過光纖傳感數據有足夠的靈敏度去檢測這類長周期波動現象。」
如前所述，肖晗目前在德國工作。但是這項研究完成於他在美國做博士後期間。
幾年前，肖晗從美國加州大學聖塔芭芭拉分校博士畢業之後，來到美國加州理工學院的地震學實驗室做博士後。
那時，他想趁著沒有論文發表畢業的壓力，做一些之前未被探索、相對「冒險」的研究。因此，他和博後導師一拍即合，決定著手這個新課題。
起初，他們面臨不少挑戰，嘗試了多種傳統方法卻屢屢碰壁，只能捕捉到一些模糊不清的訊號。然而，有一晚回家的路上，肖晗忽然意識到他們並沒有充分利用手頭的數據。
因此他認為應該嘗試新的分析方法來全面挖掘這些數據。按照這個想法，第二天他們就捕獲到了明顯的低頻訊號，一周後又發現了高頻海嘯訊號。
起初，他們對這是否真的是海嘯訊號持保留態度，因為相關的研究資料十分有限。但經過仔細數值模擬後，他們確認了這確實是海嘯訊號。
雖然一開始他們對結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）為題發在 Geophysical Research Letters [1]，肖晗是第一作者兼通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Geophysical Research Letters）
目前，肖晗等人正在開發一套軟體，這套軟體透過利用人工智慧技術，能夠即時從光纖電纜中提取關鍵資訊如海嘯警報，從而為全球提供更經濟、更高效的預警機制。
他希望未來不僅能夠大幅降低海嘯和地震預警的成本，也能為海洋環境的持續監測、海底生態系的研究提供有力的技術支持。
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計畫，該計畫旨在進行為期三年的海底光纖觀測研究。
這是一個規模龐大的跨國合作計畫，他和同事在歐洲的多個地點布設了大量的光纖傳感器。
計畫的核心目標是探索海底光纖技術在實際套用中的前景，特別是在海洋觀測和災害預警領域。
而肖晗個人的研究重點在於探索如何將人工智慧技術整合到自動檢測演算法中。
他希望透過結合海底光纖技術和先進的人工智慧，開發出能夠自動預警海嘯、地震以及其他自然災害的系統，從而為人們爭取更多的逃生時間，確保能被及時轉移到安全地帶。
透過這個計畫，肖晗期待能夠將這一前沿科技轉化為實際的套用工具，為全球的災害預防和應對提供創新的解決方案。
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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