Tack vare en innovativ ringlaserdesign, geofysiker vid LMU kan nu mäta och övervaka jordens rotation med oöverträffad noggrannhet. Det nya instrumentet i Fürstenfeldbruck invigs formellt denna vecka.

Världen har hittills relativt lite noterat Fürstenfeldbruck, en stad som ligger cirka 20 km från München. Det klassas verkligen inte som en hotspot för banbrytande vetenskap. Men det är på väg att ändras. För geofysiker baserade vid LMU och Tekniska universitetet i München (TUM) har byggt ett instrument där som sätter en ny standard inom sitt område. Begravd i en underjordisk bunker byggd bland åkermark och öppna fält, enheten tar upp flera hundra kubikmeter utrymme. Dess syfte är att mäta roterande markrörelser med större känslighet och precision än någon annan maskin som existerar.

Till och med redaktörerna för den ledande forskningstidskriften Vetenskap är tydligt imponerade av det nya instrumentets dimensioner – och möjligheter. I ett nyhetsinslag som dök upp i ett färskt nummer av tidningen, den nya ringlasern kallas det "mest sofistikerade" instrumentet i sitt slag i världen. Ledare för ROMY-projektet (Rotational Motions in Seismology) är Heiner Igel, Professor i seismologi vid LMU. Konceptet gav honom ett av de rikt begåvade Advanced Investigator Grants som tilldelades av European Research Council (ERC), och LMU fortsatte med att tillhandahålla den ytterligare finansiering som krävdes för dess slutliga förverkligande. De första testerna och experimenten har varit framgångsrika, och instrumentet kommer officiellt att tas i bruk denna vecka.

Vår rastlösa planet

Ringlasrar är utsökt känsliga för rotationsrörelser. Dom kan, till exempel, mäta jordens rotation med extremt hög precision. Vår planet är aldrig i vila, roterar på sin egen axel varje dag och kretsar runt solen en gång om året. Men det följer inte exakt samma kurs år för år. Dess bana är föremål för minimala avvikelser. Faktiskt, den beter sig precis som ett barns snurra:varken orienteringen av dess axel eller hastigheten på dess rotation är konstant. Den drabbas av starka vindar i den övre atmosfären och av havsströmmar på djupet, och massiva jordbävningar slår ur den. Men då, jorden själv är allt annat än en perfekt sfär. Inte konstigt att den misslyckas med att följa idealet om perfekt cirkulär rörelse som Aristoteles en gång föreskrev för den.

Dessutom, Att kvantifiera de minimala variationerna i de många olika komponenterna i jordens rörelser är inte enbart en fråga av akademiskt intresse. Till exempel, alla GPS-baserade navigationssystem måste periodiskt omkalibreras för att ta hänsyn till dessa variationer, som annars skulle ge upphov till betydande fel vid bestämning av sin position på jordklotet. Denna uppgift görs för närvarande med hjälp av Very Long Baseline Interferometry (VLBI), som använder ett nätverk av radioteleskop för att bestämma avstånden mellan jorden och utvalda kvasarer i rymden som är miljontals ljusår från oss. Men denna metod är komplicerad och det tar dagar att komma fram till det slutliga resultatet. Münchenforskarna tror att deras nya ringlaser kommer att göra det möjligt för dem att uppnå åtminstone samma noggrannhet på mycket kortare tid. Om de har rätt, resultaten kan uppdateras inom några sekunder snarare än dagar.

Men detta är bara en liten del av Heiner Igels vision för det nya avancerade instrumentet. – Han avser att öppna upp en helt ny dimension inom seismologin genom att använda den för att utföra mer detaljerade analyser av seismiskt inducerade markrörelser. För när en jordbävning inträffar, marken skakar inte bara upp och ner, och fram och tillbaka. Skakningar kännetecknas också av lutande och roterande rörelser runt en fast punkt. Än så länge, seismologer har varit tvungna att ignorera sådana rörelser, helt enkelt för att konventionella seismometrar inte tillhandahåller något sätt att mäta dem. Dock, Igel tror – i motsats till mottagen visdom – att en realistisk och komplett bild av markrörelser under jordbävningar kräver inhämtning och integration av denna information.

Verkligen, han och hans kollegor hoppas att den nya ringlasern ska ge svar på en hel rad öppna frågor. Till exempel, rotationssensorer kan mäta storleken på lutande och roterande markrörelser, som byggnadsingenjörer behöver för att förbättra stabiliteten hos byggnader i jordbävningszoner. Rotationssensorer kan också ge data som ger insikter i onormal magmadynamik i aktiva vulkaner, och därmed tjäna till att förbättra kvaliteten på motsvarande modelleringsstudier. I kombination med andra metoder, sådana mätningar tillåter geofysiker att undersöka egenskaperna och dynamiken i jordens inre, förklarar Igel. Och det är inte allt. ROMY lovar också att kasta nytt ljus över hur världens hav interagerar fysiskt med planeten, får den att svänga permanent.

Principen som instrumentets funktion bygger på demonstrerades först av den franske fysikern Georges Sagnac strax före första världskrigets utbrott:Han visade att en ljusstråle riktas runt en sluten bana (med hjälp av speglar), tiden det tar att slutföra en krets är oberoende av i vilken riktning den fortplantar sig. Dock, om apparaten roteras, strålen som rör sig i samma riktning som rotationen tar något längre tid för varje varv – eftersom den måste täcka ett större avstånd än en stråle som sänds i motsatt riktning. På grund av denna skillnad i väglängd, två mot-utbredningsstrålar kommer att fasförskjutas i förhållande till varandra och, när de kombineras igen, de producerar ett typiskt interferensmönster. På exakt samma sätt, när två toner som är lite ostämda hörs tillsammans, de producerar en karakteristisk taktton som varierar regelbundet i tonhöjd. Dessutom, rotationshastigheten kan beräknas från frekvensen av takttonen som produceras när de mot-utbredningsstrålar överlagras.

Igel och laserfysikern Ulrich Schreiber från TUM använde sig av denna princip i sin design för ROMY för att mäta snurr- eller lutningsrörelser. I detta fall, laserstrålarna fortplantas längs inte en utan fyra axlar. Var och en av de fyra ljusbanorna bildar kanterna på en liksidig triangel med sidor 12 m långa, Vid varje topp, ljuset avleds av speglar, vars positioner kan justeras med hög precision. Tillsammans, de fyra ringarna bildar ansiktena på en vanlig, inverterad tetraeder vars spets ligger 15 m under jorden. Denna uppställning gör det möjligt för forskarna att mäta rotationsrörelser i alla riktningar.

Fem km optisk fiber, hårt sårad

"Det tog oss två år att komma på hur vi skulle bygga det, " säger Igel. För att säkerställa hög känslighet, ringlasrarna måste vara skärmade från miljöstörningar. Till exempel, för att skydda instrumentet från grundvatten, den var innesluten i ett tetraedriskt betongskal – som en växt i en blomkruka. Igel insåg tidigt att han behövde ha sin kollega från TUM ombord för att göra projektet till en framgång – för Schreiber hade redan designat och byggt flera ringlasersystem i Tyskland, Nya Zeeland, USA, Italien och på andra håll. ROMY, dock, är utan tvekan hans mästerverk. Att integrera datorstyrd precisionsteknik i ett instrument med dimensioner på 12 m kräver en ny nivå av noggrannhet.

Under tiden, instrumentet har inte bara testats och kalibrerats, den har redan utfört en hel rad mätningar som kommer att ligga till grund för flera publikationer. Till exempel, några av de efterskalv som observerades efter jordbävningsserien i Norcia i centrala Italien i oktober 2016 har karakteriserats, samt det seismiska bruset som genereras av jordens hav.

Registrering av de hittills omöjliga lutnings- och rotationsrörelserna i fältet, dvs i närheten av det seismiska fokuset för en jordbävning, kommer att kräva användning av bärbara instrument, Igel säger – och forskarna som ansvarar för ROMY har redan tagit ett stort steg mot detta mål. De har slagit sig ihop med ett specialistföretag i Frankrike för att utveckla en bärbar fiberoptikbaserad sensor, och de första prototyperna visades på en stor geovetenskapskonferens som hölls i Wien i april. Dessa instrument använder en extremt tunn optisk fiber på 5 km lång, som är upprullad på en spole:"En riktig milstolpe, " Entusiasmerar Igel. De första mätningarna utförda i centrala Italien, och på vulkanön Stromboli utanför Siciliens nordkust "ser bra ut, " han säger.

Pionjärerna i München hoppas att andra kommer att följa ROMYs exempel. Om så är fallet, vi borde en dag ha ett globalt nätverk av ringlaser-seismometrar som äntligen kan ge oss en verkligt heltäckande bild av dynamiken i jordens rörelser. I ett sådant nätverk, Fürstenfeldbrucks ring skulle fungera som en viktig nod – en hotspot, så att säga.