Giám sát khí hậu nhờ cáp viễn thông ngầm dưới biển

(ICTPress) - CCáp ngầm dưới biển hiện nay có thể trở thành mạng giám sát khí hậu toàn cầu thời gian thực. Các thế hệ tương lai của cáp và các thành phần liên quan có thể trực tiếp đo lường các biến đổi khí hậu như nhiệt độ nước, độ mặn và áp suất ở đáy biển. Bài viết này mô tả việc cáp ngầm dưới biển có thể được sử dụng như thế nào để giám sát biến đổi khí hậu và cảnh báo sóng thần.

Trạm khí hậu đại dương ở dòng biển Agulhas được buộc ở 28,5oS, 30oE, Đông Nam châu Phi

Nhiệt độ và độ mặn là những thành phần cơ bản của đại dương. Các thành phần này quản lý mật độ nước và cùng với sức gió và năng lượng mặt trời, toàn bộ việc lưu thông của các đại dương. Việc ấm lên toàn cầu làm băng ở các cực tan chảy, giảm khả năng của đại dương là lưu giữ khí nhà kính dưới các tầng nước sâu bởi vì khí ít bị hòa tan ở các nhiệt độ cao hơn. Điều này làm bầu khí quyển nóng lên.

Tầng nước sâu nhất bao phủ đáy đại dương được hình thành ở các khu vực của cực như nước muối ấm được làm mát và thấm xuống. Quá trình này có thể bị tác động bởi sự biến đổi khí hậu, cuối cùng làm thay đổi toàn bộ và lưu thông của các dòng nước đại dương sâu.

Các nhà hải dương học có một loạt các công cụ để giám sát đại dương, với cả ưu điểm lẫn nhược điểm. Vệ tinh chỉ có thể giám sát số lượng bề mặt, như độ cao bề mặt biển, áp lực gió và nhiệt độ. Một số con thuyền lớn phục vụ mục đích nghiên cứu trên thế giới có thể thực hiện đo kiểm chi tiết nhiệt độ nước và thành phần cấu tạo ở độ sâu, nhưng chỉ từ một phần nhỏ của đại dương và hiếm khi trên một lộ trình thường xuyên. Khoảng 300 cái phao Argo trôi giạt để đo nhiệt độ và độ mặn của biển. Nhưng các phao này không thể đo ở độ sâu dưới 2000 mét, và chúng không thể được sử dụng ở các nơi biển cạn hơn 2000 mét bởi vị chúng có thể chạm đáy.

Cáp viễn thông ngầm dưới đại dương được xem là một cơ hội duy nhất để giám sát độ nước sâu bởi vì chúng nằm ở đáy đại dương. Các tín hiệu điện từ cáp có thể truyền tải thông tin về đại dương, bởi vì các tín hiệu điện từ và sức bền của cáp thay đổi khi các dòng đại dương và nhiệt độ thay đổi. Cáp cũng có thể được sử dụng để cấp nguồn đến và truyền dữ liệu đi, các đài quan sát trên đáy biển. Các hệ thống NEPTUNE Canada và DONET Nhật Bản đã sử dụng cách thức này.

Khai thác cáp viễn thông vẫn còn sử dụng được và quá hạn

Kể từ khi cáp liên lạc ngầm dưới biển được thiết lập qua kênh đào Anh vào năm 1850, hơn 1 triệu km cáp viễn thông đã được đặt dưới đáy đại dương, bao phủ phần lớn toàn cầu. Nhưng chỉ một phần nhỏ trong mạng cáp hiện nay được đưa vào sử dụng khoa học. Đây là một cơ hội đã bị bỏ lỡ.

Cáp hiện nay gồm cả cáp còn và không còn được sử dụng. Những cáp đã cũ hơn không còn được sử dụng chủ yếu là cáp đồng trục, nhưng một phần lớn cáp quang thế hệ đầu tiên đã không còn được sử dụng mặc dù còn chưa hết vòng đời hữu ích, nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ cáp.

Cả cáp đang và không còn được sử dụng thường có thể được chuyển sang các dữ liệu dòng đại dương bằng cách kết nối một vôn kế đơn giản và một máy tính đến trạm đặt cáp trên bờ. Một dòng điện từ được cảm trong cáp bằng nhờ sự chuyển động qua trường điện tử của trái đất của các dòng đại dương, thủy triều và sóng thần. Những đo lường vôn kế này có thể được thực hiện trên một hệ thống cáp đang hoạt động thông thường.

Cáp biển đã được sử dụng để đo lường các dòng đại dương trên toàn thế giới. Ví dụ, một cáp đã được sử dụng để thực hiện các đánh giá lưu lượng nước hàng ngày được vận chuyển nhờ kênh dòng chảy Florida trong suốt 25 năm qua, tạo ra một trong những loạt dữ liệu về thời gian sẵn sàng dài nhất trên tầng nước chảy đại dương. Những thông tin do cáp cung cấp được tập hợp thành một bộ dữ liệu quan trọng để đánh giá sự lưu thông sụp đổ kinh tuyến Đại Tây Dương - một động lực chính của lưu thông ở tầng sâu đại dương và một hiện tượng tầm quan trong đối với các nhà nghiên cứu khí hậu.

Các cáp đã không còn được sử dụng đến có thể được chuyển đến các vị trí quan trọng một cách khoa học như Đại dương ở phương Nam nơi các cáp hiện nay đang rất mỏng. Các chi phí để phân bổ lại được dự kiến là xấp xỉ nửa chi phí của một hệ thống mới - khoảng 20.000 USD/km, so với 50.000 USD/km cho một cáp mới. Nhưng có những khó khăn về mặt pháp lý và thực tiễn để vượt qua việc dành cáp cho các mục đích khoa học, đặc biệt trong việc chuyển giao sở hữu và trách nhiệm pháp lý từ các công ty đến các viện nghiên cứu.

Hiện nay, việc sử dụng cáp chủ yếu giới hạn trong việc kết nối các công cụ đo lường ở các trạm cập bờ. Nhưng trong tương lai - các bộ lặp - điển hình đã được lắp đặt cách xa 50 đến 150km để khuếch đại tín hiệu viễn thông ở một cáp được cấp nguồn - có thể được chuyển đổi để giám sát khí hậu.

Ngành viễn thông có một cơ hội để thiết kế một thế hệ các bộ lặp cáp mới để cung cấp dữ liệu khí hậu cho những người tham gia mới, bên cạnh việc cung cấp các dịch vụ viễn thông cơ bản. Các bộ lặp mới có thể có các bộ cảm biến lắp trong để đo lường các biến đổi khí hậu. Các bộ lặp này sẽ trở thành nền tảng của một mạng hiệu quả chi phí để giám sát biến đổi khí hậu dài hạn.

Các đo lường nhiệt độ và độ mặn tạo điều kiện để giám sát sự ấm lên và làm sạch nước, điều này là nhờ có việc ấm lên của khí quyển và băng tan. Các đo lường áp suất cho thấy những gì đang diễn ra đối với thủy triều đại dương và mực nước biển. Những đo lường này sẽ đưa ra một bức tranh về các tác động của biến đổi khí hậu. Các đo lường này cũng sẽ đưa ra các cảnh báo sóng thần. Một mạng lưới các bộ cảm biến toàn cầu sẽ cho phép các đại dương được giám sát hiệu quả trên toàn cầu tới từng phút và với chi phí thấp. Càng nhiều bộ cảm biến thì sự chính xác của bức tranh càng lớn.

Các bộ lặp hiện nay đang sử dụng đo lường nhiệt độ môi trường, độ mặn và áp suất cùng với các bộ cảm biến. Các bộ cảm biến được đặt bên trong hộp hoặc chỗ dành cho bộ lặp. Các tín hiệu được đo lường sẽ được chuyển đến các trạm bờ biển sử dụng cáp và đường dây dành riêng.

Trong tương lai, các bộ lặp có thể kết hợp các node mục đích chung để cung cấp điện, liên lạc và các tín hiệu thời gian. Ví dụ, các công cụ khoa học có thể được lắp vào - trực tiếp hoặc gián tiếp - bằng cách sử dụng các modem âm thanh. Điều này sẽ làm bộ lặp trở thành thiết bị quan sát, không chỉ để đo nhiệt độ, độ mặn và áp suất, mà còn là một kênh để đánh giá cả dữ liệu khí hậu bổ sung như các dòng chảy đại dương, các cấp độ ô xi, các cấp độ khí nhà kính, động đất và các đặc tính địa vật lý và hóa sinh khác. Nó cũng có thể cho phép đo lường các biến đổi nhiệt độ quy mô sử dụng phương pháp chụp âm thanh và thậm chí cho phép giám sát video dưới nước và giám sát bằng thính giác.

Các kỹ sư đối mặt thách thức tìm kiếm nguồn lực và các thiết kế tin cậy để cấp một hạ tầng linh hoạt và ổn định để truyền dữ liệu. Để cung cấp điện và kết nối quang trong một mạng lớp, không phụ thuộc vào truyền dẫn dữ liệu viễn thông thông thường, Electronics Subsea Communications đã phát triển một loại cáp dẫn điện kép (DCC) và một bộ rẽ nhánh cáp 4. Và bộ rẽ nhánh này có các đầu nối đặc biệt kết nối hai dây dẫn trong khi duy trì tách nguồn giữa các dây dẫn và đáy biển. Kỹ thuật mới này cho phép các bộ cảm biến giám sát khí hậu được tích hợp vào trong chỗ để bộ lặp và được vận hành độc lập với các cấu trúc viễn thông.

Cáp và các bộ lặp cung cấp các hệ thống cảnh báo sóng thần hiệu quả

Thiết bị chính của hệ thống phải đánh giá và báo cáo sóng thần dưới sâu đại dương (DART) được Cơ quan biển và khí quyển quốc gia Mỹ (NOAA) xây dựng là một bộ cảm biến áp suất trên đáy đại dương, có thể ghi lại biên độ sóng dưới 1 cm ở ngoài đại dương. Chi phí mua một phao DART khoảng 250.000 USD và các chi phí bảo dưỡng cho một phao là khoảng 125.000/năm, không bao gồm thời gian vận tải, có thể tốn gấp nhiều lần cái phao. Năm 2008, riêng Mỹ đã triển khai 39 phao cảnh báo sóng thần ở Thái Bình Dương.

Nếu có khoảng 200 phao cảnh báo sóng thần được lắp đặt trên toàn thế giới, tổng chi phí mua sẽ chỉ khoảng nửa tỷ USD và chi phí bảo dưỡng sẽ chỉ khoảng ¼ tỷ USD/năm. Gồm cả thời gian vận tải, tổng chi phí có thể hơn 1 tỷ USD/năm. Các phao truyền thống chỉ có vòng đời giới hạn (khoảng 4 năm) bởi vì chúng có nguồn.

Sử dụng các bộ lặp cáp với các bộ cảm biến áp suất được lắp đặt sẽ khả thi cho việc có một mạng cảnh báo sóng thần toàn cầu thời gian thực thực sự có chi phí thấp hơn nhiều so với hệ thống hiện nay. Các chi phí bảo dưỡng và thời gian vận chuyển đắt đỏ (để lắp đặt phao) sẽ được giảm xuống. Cũng bởi vì cáp và các bộ lặp được cấp nguồn từ bờ các bộ cảm biến có thể được cấp nguồn trong nhiều chục năm. Rõ ràng có một cơ hội kinh doanh lớn ở đây cho các công ty viễn thông.

Chi phí thiết kế một loại bộ lặp mới có thể mất nhiều triệu USD, nhưng chỉ mất hàng ngàn với loại bộ lặp mới cần được sản xuất. Cũng tương tự, các loại bộ lặp mới có thể được bán với giá cao hơn so với các loại hiện nay. Số cáp viễn thông được triển khai ở các đại dương sẽ chỉ tăng, và thế hệ các bộ lặp cáp mới sẽ có thể cung cấp dữ liệu quan trọng để giám sát biến đổi khí hậu.

Kết luận

Các công ty viễn thông đã cho phép cộng đồng khoa học tiếp cận cáp của mình và các trạm cập bờ. Nhưng vai trò mà ngành viễn thông đóng góp vào nghiên cứu khí hậu vẫn còn quá khiêm tốn. Các cơ hội kinh doanh hiện vẫn còn cho các công ty muốn đóng góp mạnh mẽ trong việc giám sát biến đổi khí hậu.

Các đại dương là một trong những yếu tố quan trọng trong biến đổi khí hậu, do đó các đại dương phải được theo dõi chặt chẽ. Đặc biệt các đại dương sâu thẳm vẫn chưa được khám phá nhiều. Do việc thiếu vắng các phương tiện hữu ích khác để đo lường dài hạn, việc sử dụng cáp viễn thông để theo dõi các đại dương sẽ rất quan trọng để giám sát biến đổi khí hậu.

ThS. Lê Xuân Thành

Tài liệu tham khảo

[1]. Telecomsearch.com

[2]. Itu.int

[3]. Telecomasia.com