Forskare har byggt en prototyp av fiberoptiskt gyroskop för högupplöst realtidsövervakning av markrotationer orsakade av jordbävningar i det aktiva vulkaniska området Campi Flegrei i Neapel, Italien. En bättre förståelse av den seismiska aktiviteten i detta tätbefolkade område kan förbättra riskbedömningen och kan leda till förbättrade system för tidig varning.
"När seismisk aktivitet inträffar upplever jordens yta både linjära och roterande rörelser", säger forskargruppsledaren Saverio Avino från Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO) i Italien. "Även om rotationer i allmänhet är mycket små och vanligtvis inte övervakas, skulle förmågan att fånga dem ge en mer fullständig förståelse av jordens interna dynamik och seismiska källor."
I tidskriften Applied Optics , rapporterar forskarna preliminära observationsdata från rotationssensorn, som är baserad på ett 2 km långt fiberoptiskt gyroskop. Sensorn presterade bra medan den kontinuerligt registrerade data under fem månader och kunde detektera buller och markrotationer från små till medelstora lokala jordbävningar.
Storstadsstaden Neapel har en befolkning på cirka 3 miljoner människor och tre aktiva vulkaner. Hela området täcks av ett rutnät av multiparametriska sensorer som ger realtidsövervakning av olika fysiska och kemiska parametrar som används för att studera seismisk och vulkanisk aktivitet.
"Mätningen av markrotationer kommer att lägga till ytterligare en bricka till denna komplexa mosaik av sensorer", säger forskargruppsmedlem Danilo Galuzzo från National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV).
"Denna ytterligare information kommer också att hjälpa till med en heltäckande förståelse av vulkaniska jordbävningssignaler, som är avgörande för att upptäcka eventuella förändringar i vulkanernas dynamik."
Mätning av rotationsrörelse
Gyroskop är enheter som används för att upptäcka och mäta förändringar i orientering eller vinkelhastighet - hastigheten med vilken ett föremål roterar. Till exempel i smartphones upptäcker och mäter enkla gyroskop enhetens orientering och rotation. För att mäta rotation i seismiska vågor från en jordbävning eller vulkanisk aktivitet utvecklade forskarna ett mer komplext gyroskop baserat på Sagnac-effekten.
Sagnac-effekten uppstår när ljus som färdas i motsatta riktningar runt en sluten slinga uppvisar olika färdtider. Detta leder till mätbara interferensmönster i ljuset som beror på slingans rotationshastighet. Genom att mäta ljusinterferensen kan vinkelhastigheten detekteras med hög upplösning.
"Våra laboratorier är belägna i hjärtat av ett aktivt vulkanområde, vilket skapar en naturlig källa till jordbävningar", säger Avino. "Eftersom vi upplever små/medelstora jordbävningar nästan varje dag, kan vi mäta och förvärva ett stort antal data om markrotationer, som successivt kan analyseras för att studera seismiska och vulkaniska fenomen i Campi Flegrei-regionen."
Forskarna satte ihop en prototyp av fiberoptisk rotationssensor med hjälp av standardlaboratorieinstrument och komponenter. För att testa det injicerade de ljus i en 2 kilometer lång optisk fiberkabel, liknande de som används för optisk telekommunikation.
Fiberkabeln bildade en slinga där ingång och utgång är anslutna, vilket skapade en kontinuerlig ljusbana utan avbrott, och lindades exakt runt en aluminiumspole med en diameter på 25 cm för att bilda en spole.
Under experimenten hålls den optiska sensorn i en kontrollerad laboratoriemiljö i en byggnad som ligger på toppen av en vulkancaldera – en stor fördjupning som bildas när en vulkan får ett utbrott och kollapsar.
"Denna första version av systemet visade en upplösning som var jämförbar med andra toppmoderna fiberoptiska gyroskop", säger tidningens första författare Marialuisa Capezzuto, som kommer från CNR-INO och arbetade med experimentapparaten. "Det hade också en mycket bra arbetscykel - den procentuella andelen av tiden som instrumentet mäter/inhämtar data - vilket gjorde att vi kunde köra systemet kontinuerligt i cirka fem månader."
"Prototypgyroskopet kan bara mäta en av de tre riktningskomponenterna i rotationsrörelsen. Men att kombinera tre av samma gyroskop, var och en orienterad för att fånga en annan rotationsaxel, skulle kunna användas för att fånga alla tre komponenterna", säger Luigi Santamaria Amato från den italienska rymdorganisationen (ASI).
När forskarna har förbättrat upplösningen och stabiliteten hos det enaxliga systemet planerar de att sätta upp ett treaxligt gyroskop. Så småningom vill de skapa ett permanent markrotationsobservatorium i Campi Flegrei-området.
Mer information: Marialuisa Capezzuto et al., Fiberoptiskt gyroskop för rotationsseismisk markrörelseövervakning av vulkanområdet Campi Flegrei, Applied Optics (2024). DOI:10.1364/AO.518354
Tillhandahålls av Optica
