Meget følsomt fiberoptisk gyroskop registrerer roterende jordbevægelse omkring en aktiv vulkan

Forskere har bygget en prototype af fiberoptisk gyroskop til høj opløsning, realtidsovervågning af jordrotationer forårsaget af jordskælv i det aktive vulkanområde Campi Flegrei i Napoli, Italien. En bedre forståelse af den seismiske aktivitet i dette meget befolkede område kunne forbedre risikovurderingen og kan føre til forbedrede tidlige varslingssystemer.

"Når der opstår seismisk aktivitet, oplever Jordens overflade både lineære og roterende bevægelser," sagde lederen af ​​forskerholdet Saverio Avino fra Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO) i Italien. "Selvom rotationer generelt er meget små og normalt ikke overvåges, ville evnen til at fange dem give en mere fuldstændig forståelse af Jordens indre dynamik og seismiske kilder."

I tidsskriftet Applied Optics , rapporterer forskerne foreløbige observationsdata fra rotationssensoren, som er baseret på et 2 km langt fiberoptisk gyroskop. Sensoren klarede sig godt, mens den kontinuerligt optog data over fem måneder og var i stand til at detektere støj og jordrotationer fra små til mellemstore lokale jordskælv.

Hovedstadsbyen Napoli har en befolkning på omkring 3 millioner mennesker og tre aktive vulkaner. Hele området er dækket af et gitter af multiparametriske sensorer, der giver realtidsovervågning af forskellige fysiske og kemiske parametre, der bruges til at studere seismisk og vulkansk aktivitet.

"Målingen af ​​jordrotationer vil tilføje endnu en flise til denne komplekse mosaik af sensorer," sagde forskerteammedlem Danilo Galuzzo fra National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV).

"Denne yderligere information vil også hjælpe med den omfattende forståelse af vulkanske jordskælvssignaler, som er afgørende for at detektere eventuelle ændringer i vulkanernes dynamik."

Måling af rotationsbevægelse

Gyroskoper er enheder, der bruges til at registrere og måle ændringer i orientering eller vinkelhastighed - den hastighed, hvormed et objekt roterer. For eksempel registrerer og måler simple gyroskoper enhedens orientering og rotation i smartphones. For at måle rotation i seismiske bølger fra et jordskælv eller vulkansk aktivitet udviklede forskerne et mere komplekst gyroskop baseret på Sagnac-effekten.

Sagnac-effekten opstår, når lys, der bevæger sig i modsatte retninger rundt i en lukket sløjfe, udviser forskellige rejsetider. Dette fører til målbare interferensmønstre i lyset, der afhænger af sløjfens rotationshastighed. Ved at måle lysinterferensen kan vinkelhastigheden detekteres med høj opløsning.

"Vores laboratorier er placeret i hjertet af et aktivt vulkansk område, hvilket skaber en naturlig kilde til jordskælv," sagde Avino. "Fordi vi oplever små/mellemstore jordskælv næsten hver dag, kan vi måle og indhente et stort antal data om jordrotationer, som successivt kan analyseres for at studere seismiske og vulkanske fænomener i Campi Flegrei-regionen."

Fangst seismisk aktivitet

Forskerne samlede en prototype fiberoptisk rotationssensor ved hjælp af standard laboratorieinstrumentering og komponenter. For at teste det sprøjtede de lys ind i et 2 kilometer langt optisk fiberkabel, svarende til dem, der bruges til optisk telekommunikation.

Fiberkablet dannede en sløjfe, hvor input og output er forbundet, hvilket skabte en kontinuerlig lysbane uden afbrydelser, og blev præcist viklet rundt om en aluminiumsspole med en diameter på 25 cm for at danne en spole.

Under eksperimenterne holdes den optiske sensor i et kontrolleret laboratoriemiljø i en bygning, der sidder på toppen af ​​en vulkancaldera - en stor lavning, der dannes, når en vulkan går i udbrud og kollapser.

"Denne første version af systemet viste en opløsning, der kunne sammenlignes med andre avancerede fiberoptiske gyroskoper," sagde avisens første forfatter Marialuisa Capezzuto, som er fra CNR-INO og arbejdede på det eksperimentelle apparat. "Det havde også en meget god arbejdscyklus - den tidsprocent, som instrumentet måler/indhenter data - som gjorde det muligt for os at køre systemet kontinuerligt i omkring fem måneder."

"Prototypen af ​​gyroskopet kan kun måle en af ​​de tre retningsbestemte komponenter i rotationsbevægelsen. Men at kombinere tre af de samme gyroskoper, som hver er orienteret til at fange en anden rotationsakse, kunne bruges til at fange alle tre komponenter," sagde Luigi Santamaria Amato fra den italienske rumfartsorganisation (ASI).

Når forskerne har forbedret opløsningen og stabiliteten af ​​enkeltaksesystemet, planlægger de at opsætte et treakset gyroskop. Til sidst vil de skabe et permanent jordrotationsobservatorium i Campi Flegrei-området.

Flere oplysninger: Marialuisa Capezzuto et al., Fiberoptisk gyroskop til rotationsseismisk jordbevægelsesovervågning af Campi Flegrei vulkanske område, Anvendt optik (2024). DOI:10.1364/AO.518354

Leveret af Optica