Dankzij een innovatief ringlaserontwerp, geofysici bij LMU kunnen nu de rotatie van de aarde met ongekende nauwkeurigheid meten en volgen. Het nieuwe instrument in Fürstenfeldbruck wordt deze week officieel ingehuldigd.

De wereld heeft tot dusver relatief weinig aandacht besteed aan Fürstenfeldbruck, een stad op ongeveer 20 km van München. Het wordt zeker niet beoordeeld als een hotspot voor geavanceerde wetenschap. Maar dat gaat veranderen. Want geofysici van de LMU en de Technische Universiteit van München (TUM) hebben daar een instrument gebouwd dat een nieuwe standaard zet in zijn vakgebied. Begraven in een ondergrondse bunker gebouwd te midden van akkerland en open velden, het apparaat neemt enkele honderden kubieke meters ruimte in beslag. Het doel is om roterende grondbewegingen te meten met een grotere gevoeligheid en precisie dan welke andere machine dan ook.

Zelfs de redacteuren van het toonaangevende onderzoekstijdschrift Wetenschap zijn duidelijk onder de indruk van de afmetingen – en de mogelijkheden – van het nieuwe instrument. In een nieuwsartikel dat in een recent nummer van het tijdschrift verscheen, de nieuwe ringlaser wordt het "meest geavanceerde" instrument in zijn soort ter wereld genoemd. De leider van het ROMY-project (Rotational Motions in Seismology) is Heiner Igel, Hoogleraar Seismologie aan de LMU. Het concept leverde hem een ​​van de rijkelijk bedeelde Advanced Investigator Grants op die werden toegekend door de European Research Council (ERC), en de LMU leverde de aanvullende financiering die nodig was voor de uiteindelijke realisatie. De eerste tests en experimenten zijn succesvol geweest, en het instrument wordt deze week officieel in gebruik genomen.

Onze rusteloze planeet

Ringlasers zijn buitengewoon gevoelig voor rotatiebewegingen. Ze kunnen, bijvoorbeeld, meet de rotatie van de aarde met extreem hoge precisie. Onze planeet is nooit in rust, die elke dag om zijn eigen as draait en eenmaal per jaar om de zon draait. Maar het volgt niet jaar voor jaar precies hetzelfde cursus. Het traject is onderhevig aan minimale afwijkingen. In feite, het gedraagt ​​zich net als de tol van een kind:noch de oriëntatie van zijn as, noch de snelheid van zijn rotatie is constant. Het wordt geteisterd door sterke winden in de bovenste atmosfeer en door oceaanstromingen op diepte, en enorme aardbevingen slaan het uit zijn evenwicht. Maar dan, de aarde zelf is allesbehalve een perfecte bol. Geen wonder dat het niet voldoet aan het ideaal van perfecte cirkelbeweging dat Aristoteles er ooit voor had voorgeschreven.

Bovendien, het kwantificeren van de minimale variaties in de vele verschillende componenten van de bewegingen van de aarde is niet alleen een kwestie van academisch belang. Bijvoorbeeld, alle op GPS gebaseerde navigatiesystemen moeten periodiek opnieuw worden gekalibreerd om rekening te houden met deze variaties, die anders aanleiding zouden geven tot significante fouten bij het bepalen van iemands positie op de aardbol. Deze taak wordt momenteel uitgevoerd met behulp van Very Long Baseline Interferometry (VLBI), die een netwerk van radiotelescopen gebruikt om de afstanden te bepalen tussen de aarde en geselecteerde quasars in de verre ruimte die miljoenen lichtjaren van ons verwijderd zijn. Maar deze methode is ingewikkeld en het duurt dagen om tot het eindresultaat te komen. De onderzoekers uit München denken dat ze met hun nieuwe ringlaser in veel minder tijd minstens dezelfde nauwkeurigheid kunnen bereiken. Als ze gelijk hebben, resultaten kunnen binnen enkele seconden in plaats van dagen worden bijgewerkt.

Maar dit is slechts een klein deel van Heiner Igel's visie op het nieuwe high-end instrument. – Hij is van plan een geheel nieuwe dimensie in de seismologie te openen door deze te gebruiken voor het uitvoeren van meer gedetailleerde analyses van seismisch geïnduceerde grondbewegingen. Want als er een aardbeving plaatsvindt, de grond schudt niet alleen op en neer, en heen en weer. Tremoren worden ook gekenmerkt door kantel- en rotatiebewegingen rond een vast punt. Tot dusver, seismologen hebben zulke bewegingen moeten negeren, simpelweg omdat conventionele seismometers geen manier bieden om ze te meten. Echter, Igel is van mening - in tegenstelling tot wat algemeen bekend is - dat een realistisch en volledig beeld van grondbewegingen tijdens aardbevingen de verwerving en integratie van deze informatie vereist.

Inderdaad, hij en zijn collega's hopen dat de nieuwe ringlaser antwoord zal geven op een hele reeks open vragen. Bijvoorbeeld, rotatiesensoren kunnen de grootte van kantelende en roterende grondbewegingen meten, die bouwkundig ingenieurs nodig hebben om de stabiliteit van gebouwen in aardbevingsgebieden te verbeteren. Rotatiesensoren kunnen ook gegevens leveren die inzicht geven in afwijkende magma-dynamiek in actieve vulkanen, en dus dienen om de kwaliteit van overeenkomstige modelleringsstudies te verbeteren. In combinatie met andere methoden, dergelijke metingen stellen geofysici in staat om de eigenschappen en de dynamiek van het binnenste van de aarde te onderzoeken, Igel legt uit. En dat is niet alles. ROMY belooft ook nieuw licht te werpen op hoe de oceanen van de wereld fysiek met de planeet omgaan, waardoor het permanent oscilleert.

Het principe waarop de werking van het instrument gebaseerd is, werd voor het eerst gedemonstreerd door de Franse natuurkundige Georges Sagnac kort voor het uitbreken van de Eerste Wereldoorlog:hij toonde aan dat een lichtstraal rond een gesloten baan wordt gericht (met behulp van spiegels), de tijd die nodig is om een ​​circuit te voltooien is onafhankelijk van de richting waarin het zich voortplant. Echter, als het apparaat wordt gedraaid, de straal die in dezelfde richting beweegt als de rotatie duurt iets langer voor elke ronde - omdat hij een grotere afstand moet afleggen dan een straal die in de tegenovergestelde richting wordt uitgezonden. Door dit verschil in padlengte, twee zich in tegengestelde richting voortplantende bundels zullen ten opzichte van elkaar in fase verschoven zijn en, wanneer opnieuw gecombineerd, ze produceren een typisch interferentiepatroon. Op precies dezelfde manier, wanneer twee noten die enigszins ontstemd zijn samen klinken, ze produceren een karakteristieke telnoot die regelmatig in toonhoogte varieert. Bovendien, de rotatiesnelheid kan worden berekend uit de frequentie van de telnoot die wordt geproduceerd wanneer de zich in tegengestelde richting voortplantende bundels over elkaar heen leggen.

Igel en laserfysicus Ulrich Schreiber van de TUM gebruikten dit principe in hun ontwerp voor ROMY om spin- of kantelbewegingen te meten. In dit geval, de laserstralen worden langs niet één maar vier assen voortgeplant. Elk van de vier lichtpaden vormt de randen van een gelijkzijdige driehoek met zijden van 12 m lang, Bij elke top, het licht wordt afgebogen door spiegels, waarvan de posities met hoge precisie kunnen worden aangepast. Samen, de vier ringen vormen de gezichten van een regelmatige, omgekeerde tetraëder waarvan de top 15 m onder de grond ligt. Met deze opstelling kunnen de wetenschappers rotatiebewegingen in alle richtingen meten.

Vijf kilometer glasvezel, strak gewonden

"Het kostte ons twee jaar om erachter te komen hoe we het moesten bouwen, " zegt Igel. Om een ​​hoge gevoeligheid te garanderen, de ringlasers moeten worden afgeschermd tegen omgevingsinvloeden. Bijvoorbeeld, om het instrument te beschermen tegen grondwater, het was ingesloten in een tetraëdrische betonnen schaal - als een plant in een bloempot. Igel realiseerde zich al vroeg dat hij zijn collega van de TUM aan boord moest hebben om het project tot een succes te maken - want Schreiber had al verschillende ringlasersystemen ontworpen en gebouwd in Duitsland, Nieuw-Zeeland, de Verenigde Staten, Italië en elders. ROMIE, echter, is ongetwijfeld zijn meesterwerk. Het incorporeren van computergestuurde precisie-engineering in een instrument met afmetingen van 12 m vereist een nieuw niveau van nauwgezetheid.

In de tussentijd, het instrument is niet alleen getest en gekalibreerd, het heeft al een hele reeks metingen gedaan die de basis zullen vormen voor meerdere publicaties. Bijvoorbeeld, sommige van de naschokken die zijn waargenomen na de reeks aardbevingen in Norcia in Midden-Italië in oktober 2016 zijn gekarakteriseerd, evenals het seismische geluid dat door de oceanen van de aarde wordt gegenereerd.

Het registreren van de tot nu toe niet-kwantificeerbare kantel- en rotatiebewegingen in het veld, d.w.z. in de buurt van het seismische brandpunt van een aardbeving, het gebruik van draagbare instrumenten vereist, Igel zegt - en de onderzoekers die verantwoordelijk zijn voor ROMY hebben al een grote stap in de richting van dit doel gezet. Ze hebben samengewerkt met een gespecialiseerd bedrijf in Frankrijk om een ​​draagbare op glasvezel gebaseerde sensor te ontwikkelen, en de eerste prototypes waren te zien op een grote geowetenschappelijke conferentie die in april in Wenen werd gehouden. Deze instrumenten maken gebruik van een extreem dunne optische vezel van 5 km lang, die op een spoel is gewikkeld:"Een echte mijlpaal, " Igel enthousiast. De eerste metingen uitgevoerd in Midden-Italië, en op het vulkanische eiland Stromboli voor de noordkust van Sicilië "ziet er goed uit, " hij zegt.

De pioniers in München hopen dat anderen het voorbeeld van ROMY zullen volgen. Als, op een dag zouden we een wereldwijd netwerk van ringlaser-seismometers moeten hebben die ons eindelijk een werkelijk allesomvattend beeld kunnen geven van de dynamiek van de bewegingen van de aarde. In zo'n netwerk De ring van Fürstenfeldbruck zou dienen als een essentieel knooppunt - een hotspot, bij wijze van spreken.