Wetenschap
Een nieuw type seismische sensor om maanbevingen te detecteren
Tijdens de Apollo-missies van de jaren zeventig werden verschillende seismometers naar de maan gevlogen, waar ze acht jaar lang gegevens verzamelden over seismische trillingen op de maan. Uit de gegevens bleek dat sommige maanbevingen zo krachtig waren als een magnitude 5.
In tegenstelling tot de aarde is de maan niet tektonisch actief. Maanbevingen hebben verschillende oorzaken:sommige worden veroorzaakt door thermische verschillen tussen dag en nacht doordat het oppervlak in temperatuur varieert, andere die dieper voorkomen kunnen worden veroorzaakt door de zwaartekracht van de aarde, en weer andere worden veroorzaakt doordat de maan langzaam afkoelt en in de loop van de tijd samentrekt. . Begrijpen hoe, wanneer en waar deze aardbevingen plaatsvinden is van cruciaal belang voor het plannen van missies naar de maan, vooral als er permanente structuren zoals een maanbasis op het oppervlak moeten worden gebouwd.
Een nieuwe studie toont aan dat een opkomende nieuwe seismologische technologie, genaamd gedistribueerde akoestische detectie (DAS), maanbevingen met ongekende precisie zou kunnen meten. Omdat NASA's komende Artemis-missies van plan zijn terug te keren naar de maan om, naast andere onderzoeksdoelen, nieuwe seismische sensoren in te zetten, pleit de studie voor het gebruik van DAS in plaats van conventionele seismometers.
Een artikel met de titel "Assessing the feasibility of Distributed Acoustic Sensing (DAS) for moonquake detectie", waarin het onderzoek wordt beschreven, verschijnt in het tijdschrift Earth and Planetary Science Letters .
De afgelopen tien jaar heeft hoogleraar geofysica Zhongwen Zhan (Ph.D.) DAS ontwikkeld, waarbij lasers door een glasvezelkabel worden gestuurd en wordt gemeten hoe het laserlicht door de kabel verandert als het trillingen of trillingen ervaart. Op deze manier fungeert de kabel als een reeks van honderden individuele seismometers, waardoor onderzoekers aardbevingen zeer nauwkeurig kunnen meten. Uit een recent onderzoek is gebleken dat een stuk kabel van 100 kilometer zou kunnen functioneren als het equivalent van 10.000 seismometers.
Omdat er op de maan slechts een paar individuele seismometers ver van elkaar verwijderd zijn, zijn de seismische signalen van maanbevingen behoorlijk vaag of 'luidruchtig', alsof je naar een radio vol statische elektriciteit luistert. Dit komt door een fenomeen dat verstrooiing wordt genoemd, waarbij seismische golven minder duidelijk worden wanneer ze door de poederachtige bovenlaag van het maanoppervlak reizen. Het hebben van meerdere sensoren (en zelfs duizenden, zoals een glasvezelkabel zou kunnen bieden) zou een signaal met ruis helpen verhelderen.
In de nieuwe studie, geleid door Qiushi Zhai, postdoctoraal onderzoeker in de geofysica, hebben de onderzoekers een glasvezelkabel uitgerust met DAS-technologie ingezet op Antarctica. De ijskoude, droge omgeving van de Zuidpool, ver weg van menselijke activiteiten, komt op aarde het dichtst in de buurt van de maan. De DAS-sensoren waren gevoelig genoeg om de kleine trillingen te meten die worden veroorzaakt door het kraken en bewegen van het ijs, wat erop wijst dat ze maanbevingen zouden kunnen meten.
"Een ander voordeel van het gebruik van DAS op de maan is dat een glasvezelkabel fysiek behoorlijk veerkrachtig is tegen de barre omstandigheden op de maan:hoge straling, extreme temperaturen en zwaar stof", zegt Zhai.
De volgende stappen zijn het aantonen dat DAS kan werken met de beperkte energiebronnen die beschikbaar zijn op de maan en het uitvoeren van meer modellering en analyses om te begrijpen hoe kleine en verre aardbevingen kunnen zijn en nog steeds detecteerbaar zijn.
Gedistribueerde akoestische detectie:hoe werkt het?
Om een glasvezelkabel te gebruiken als een dichte reeks seismische sensoren, zijn laserzenders aan het ene uiteinde van de kabel gestationeerd en schieten ze lichtstralen door de lange, dunne glasstrengen die de kern van de kabel vormen. Het glas heeft kleine imperfecties die een minuscuul deel van het licht terugkaatsen naar de bron, waar het wordt opgenomen.
Op deze manier fungeert elke imperfectie als een traceerbaar waypoint langs de glasvezelkabel, die doorgaans net onder het maaiveld ligt begraven. Seismische golven die door de grond bewegen, zorgen ervoor dat de kabel lichtjes wiebelt, waardoor de reistijd van het licht van en naar deze waypoints verandert.
De onvolkomenheden langs de lengte van de kabel werken dus als duizenden individuele seismometers waarmee seismologen de beweging van seismische golven kunnen observeren. Het gebruik van glasvezelkabels voor telecommunicatie in de hele staat Californië zou bijvoorbeeld hetzelfde kunnen zijn als het bedekken met miljoenen seismometers, waardoor onderzoekers overal waar glasvezelkabels in de buurt zijn gedetailleerde observaties kunnen maken van de dynamiek van de aardkorst.