เทคโนโลยีทางแสงกับการตรวจวัดแผ่นดินไหว

          จากบันทึกทางประวัติศาสตร์ เครื่องตรวจจับแผ่นดินไหว (Seismoscope) ถูกประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกโดยนักปราชญ์ชาวจีนที่มีชื่อว่า Zhang Heng ตั้งแต่ปี ค.ศ.132 โดยเครื่องดังกล่าวมีลักษณะเป็นโอ่งที่มีมังกรติดอยู่ด้านข้างตรงกับทิศทั้ง 8 ซึ่งในปากของมังกรจะคาบลูกแก้วเอาไว้ หากมีคลื่นแผ่นดินไหวเดินทางผ่านมา ลูกแก้วก็จะหล่นลงไปอยู่ในปากของกบที่อ้ารออยู่ด้านล่าง อย่างไรก็ตาม เครื่องตรวจจับแผ่นดินไหวยุคบุกเบิกนี้ไม่สามารถวัดขนาดและบันทึกการเกิดแผ่นดินไหวได้           วันเวลาล่วงเลยมาเกือบ 2,000 ปี เครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหว (Seismometer) จึงถูกสร้างขึ้นในศตวรรษที่ 19 และพัฒนาเรื่อยมาจนถึงปัจจุบัน โดยเครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหวดังกล่าวอาศัยความเฉื่อยของก้อนมวลที่มีปากกาติดอยู่และถูกแขวนเอาไว้กับสปริง เมื่อแผ่นดินเกิดการขยับตัว ปากกาก็จะขีดเส้นลงบนกระดาษและถูกเรียกว่ากราฟบันทึกแผ่นดินไหว (Seismograms) ทั้งนี้ เมื่อนำเครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหว อุปกรณ์แปลงสัญญาณ และคอมพิวเตอร์มารวมกัน เราก็จะได้เครื่องตรวจวัดและบันทึกแผ่นดินไหว (Seismograph) ที่สามารถบอกสมบัติพื้นฐานของแผ่นดินไหวได้อย่างครบถ้วน ซึ่งเครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหวในปัจจุบันได้ถูกพัฒนาเป็นแบบดิจิตอลที่สามารถทำงานได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ

            ย้อนกลับไปในช่วงปี ค.ศ.1970 ที่เทคโนโลยีการสื่อสารด้วยแสง (Optical Communication) เริ่มเข้ามามีบทบาทในการรับส่งข้อมูลระยะไกล ซึ่งการสื่อสารด้วยแสงเป็นการใช้อนุภาคโฟตอนเป็นตัวส่งข้อมูลแทนการใช้อนุภาคอิเล็กตรอน โดยระบบการสื่อสารด้วยแสงมีอุปกรณ์ที่สำคัญได้แก่ เครื่องกำเนิดสัญญาณไฟฟ้าต้นทาง (Source) เครื่องแปลงสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นสัญญาณแสง (E/O Converter) เส้นใยนำแสง (Optical Fiber) เครื่องแปลงสัญญาณแสงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า (O/E Converter) และเครื่องรับสัญญาณไฟฟ้าปลายทาง (Receiver) หากระยะการส่งข้อมูลไกลมากก็จะต้องมีการติดตั้งเครื่องทวนสัญญาณแสง (Optical Repeater) เพื่อขยายสัญญาณแสงเป็นระยะ รวมถึงอุปกรณ์เสริมอื่นๆ เพื่อควบคุมการส่งข้อมูลให้มีประสิทธิภาพ ต่อมาประมาณปี ค.ศ.1990 หลายประเทศก็มีการวางโครงข่ายการสื่อสารด้วยแสงเอาไว้ทั้งใต้ดินและพื้นทะเล

             เส้นใยนำแสงมีโครงสร้างพื้นฐานประกอบจากวัสดุ 2 ชั้น ชั้นในเรียกว่าแกน (Core) ทำหน้าที่เป็นทางเดินของแสง ส่วนชั้นนอกเป็นวัสดุห่อหุ้ม (Clad) ทำหน้าที่กักและสะท้อนแสงให้เคลื่อนที่อยู่ภายในแกน เส้นใยนำแสงมีข้อดีคือสามารถส่งข้อมูลได้รวดเร็ว มีการสูญเสียน้อย (เกิดจากการดูดกลืนและกระเจิงในโครงสร้างของวัสดุตัวนำ) มีช่วงการส่งสัญญาณกว้าง เส้นใยมีขนาดเล็ก ม้วนงอได้ มีน้ำหนักเบา ไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก วัสดุที่ใช้ทำสามารถหาได้ง่าย ทนทานต่อสารเคมีและอุณหภูมิ และสามารถป้องกันการลักลอบพ่วงต่อสัญญาณได้ หากนำเส้นใยนำแสงจำนวนมากมามัดรวมกันแล้วหุ้มด้วยฉนวนให้แข็งแรงมิดชิดก็จะเรียกว่าสายเคเบิลเชิงแสง (Optical Cable)


          เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยด้านธรณีฟิสิกส์และฟิสิกส์บรรยากาศจากหลายมหาวิทยาลัยและหลายหน่วยงานได้พัฒนาระบบที่เรียกว่า Distributed Acoustic Sensing (DAS) ซึ่งเป็นการนำโครงข่ายเคเบิลเส้นใยนำแสงที่ฝังอยู่ใต้ดินหรือใต้ทะเล (Dark Fiber) มาใช้เป็นเซนเซอร์ตรวจวัดคลื่นแผ่นดินไหวและการเปลี่ยนแปลงของพื้นดิน โดยการยิงแสงเลเซอร์เป็นช่วงสั้นๆ (Pulse) เข้าไปในเส้นใยนำแสง หากมีคลื่นแผ่นดินไหวเดินทางผ่านมาหรือมีการขยับตัวของชั้นดินจากสาเหตุใดก็ตาม สิ่งที่เกิดขึ้นคือสัญญาณแสงจะถูกรบกวนแล้วแสดงผลออกมาในรูปของกราฟคลื่นกับเวลา ซึ่งสัญญาณแสงเลเซอร์ในโครงข่ายเส้นใยนำแสงสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของพื้นดินตั้งแต่ขนาดเล็กจนถึงขนาดใหญ่ได้เป็นอย่างดี

            อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพื้นที่กว่า 70 เปอร์เซ็นต์ของโลกยังไม่มีการติดตั้งเครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหว ดังนั้นเป้าหมายระยะยาวของคณะวิจัยก็คือการใช้โครงข่ายเส้นใยนำแสงทั่วโลกทั้งบนบกและในทะเลที่มีความยาวรวมกันมากกว่า 10 ล้านกิโลเมตรมาสร้างเป็นโครงข่ายตรวจวัดแผ่นดินไหวด้วยแสงเรียกว่า แผ่นดินไหววิทยาเชิงแสง (Photonic Seismology) ซึ่งระบบนี้จะมีความละเอียดในการวัดสูงมากจนสามารถตรวจวัดการสั่นสะเทือนขนาดเล็กต่างๆ ในสิ่งแวดล้อมที่เรียกว่า Microseisms ได้ เช่น การพังทลายของหลุมยุบ การเคลื่อนตัวของน้ำท่วม แรงกระแทกจากคลื่นในทะเล รวมถึงคลื่นกระแทกจากฟ้าผ่า (Thunderquake) เป็นต้น

            นอกจากการยิงแสงเลเซอร์ผ่านโครงข่ายเส้นใยนำแสงใต้ดิน แสงเลเซอร์ยังสามารถนำมาวัดการเปลี่ยนแปลงบนพื้นดินได้โดยการติดตั้งตัวสะท้อนแสง (Reflector) ใกล้รอยเลื่อนมีพลัง จากนั้นทำการยิงแสงเลเซอร์ออกจากเครื่องกำเนิดแสงที่ตั้งอยู่ห่างออกไป หากพื้นดินมีการขยับแม้เพียงเล็กน้อย สัญญาณการสะท้อนของแสงเลเซอร์สำหรับวัดตำแหน่งระหว่างตัวสะท้อนกับเซนเซอร์รับแสงก็จะเปลี่ยนแปลงไป ระบบดังกล่าวเรียกว่า Laser Ranging System แสดงดังรูป           ในทางวิศวกรรมแผ่นดินไหว (Earthquake Engineering) ซึ่งศึกษาเกี่ยวกับการออกแบบโครงสร้างต้านทานแผ่นดินไหว (Resistant Buildings) ก็มีการนำแสงเลเซอร์มาประยุกต์ใช้เช่นกัน เมื่อเดือนกรกฎาคม ค.ศ.2019 ที่ผ่านมา Berkeley Lab ได้พัฒนาระบบที่มีชื่อว่า Discrete Diode Position Sensor (DDPS) สำหรับใช้วัดการเลื่อนตำแหน่งระหว่างเพดานกับพื้นอาคารในแต่ละชั้นของอาคาร โดยระบบดังกล่าวเป็นการยิงแสงเลเซอร์จากแหล่งกำเนิดบนเพดานไปยังเซนเซอร์ระบุตำแหน่งที่ไวต่อแสงซึ่งทำจากโฟโตไดโอด (Photodiode) หากโครงสร้างอาคารมีการเลื่อนไปจากตำแหน่งเดิม เซนเซอร์จะทำการวัดระยะการเลื่อนตำแหน่งแล้วส่งข้อมูลด้วยระบบไร้สายผ่านดาวเทียมไปยังศูนย์ข้อมูลในทันทีเพื่อประเมินความเสียหายและเตรียมการกู้ภัย           สุดท้ายนี้ ผู้อ่านจะเห็นว่าเส้นใยนำแสง แสงเลเซอร์ และสิ่งประดิษฐ์เชิงแสงที่ถูกกล่าวถึงในบทความล้วนไม่ใช่ของใหม่ที่เพิ่งถูกประดิษฐ์ขึ้น แต่เป็นการนำของเก่าที่มีอยู่แล้วมาแต่งแต้มความคิดสร้างสรรค์จนกลายเป็นสิ่งใหม่ หมายความว่าหากเราใส่จินตนาการลงในสิ่งของรอบตัวและทุ่มเทเวลาให้กับมันมากเพียงพอ การต่อยอดสิ่งเก่าเพื่อสร้างสิ่งใหม่ย่อมเกิดขึ้นได้เสมอนั่นเอง

 

อ้างอิง

• http://large.stanford.edu/courses/2015/ph240/martin1/
• https://www.kidsdiscover.com/quick-reads/ancient-chinese-seismometer-used-dragons-toads/
• https://www.seis-insight.eu/en/public-2/planetary-seismology/how-a-seismometer-works
• https://www.photonics.com/Articles/Fiber_Optic_Cables_Find_Use_as_Seismic_Sensors/a63059?fbclid=IwAR0RMIFQN_ym8TJODFGrKeftNGB3j_ReZSLkbj0vDmf9qpjfUD0-_sFK3Bc
• https://m.phys.org/news/2019-07-sensor-earthquake-response-efforts.html?fbclid=IwAR2vJeJWfrRD7eYBtzE2VunPyE2YJ9aBZGiI2xXsXXtgBp8Se-fnlxg_gUw
• https://phys.org/news/2019-11-underwater-telecom-cables-superb-seismic.html?fbclid=IwAR2-DHydtuJw9aC-SYlgv2NhNVWSsxex-ZgB7CljHIcFyOH6qHA5JGqJ7E0
• https://news.agu.org/press-release/thunderquakes-make-underground-fiber-optic-telecommunications-cables-hum-audio-available/?fbclid=IwAR2c2KQ9455dOQYOlqAlFTVDml29Nq7Y0Ft8v1IntnvDs__4poV54hZsf3E
• https://www.caltech.edu/about/news/submarine-cables-offshore-wind-farms-transformed-seismic-network?fbclid=IwAR0KgMEbYjoPiAE62o29RJL08_9qeqaphH9BVWtL5uF4ziwnyM0oDyOri-U