Wetenschap
Zeer gevoelige glasvezelgyroscoop detecteert roterende grondbewegingen rond actieve vulkaan
"Wanneer seismische activiteit plaatsvindt, ervaart het aardoppervlak zowel lineaire als roterende bewegingen", zegt onderzoeksteamleider Saverio Avino van het Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO) in Italië. "Hoewel rotaties over het algemeen erg klein zijn en doorgaans niet worden gecontroleerd, zou de mogelijkheid om ze vast te leggen een vollediger inzicht verschaffen in de interne dynamiek en seismische bronnen van de aarde."
In het tijdschrift Applied Optics rapporteren de onderzoekers voorlopige observatiegegevens van de rotatiesensor, die is gebaseerd op een 2 km lange glasvezelgyroscoop. De sensor presteerde goed terwijl hij gedurende vijf maanden continu gegevens registreerde en kon geluid en grondrotaties van kleine tot middelgrote lokale aardbevingen detecteren.
De metropool Napels heeft ongeveer 3 miljoen inwoners en drie actieve vulkanen. Het hele gebied wordt bedekt door een raster van multiparametrische sensoren die realtime monitoring bieden van verschillende fysische en chemische parameters die worden gebruikt om seismische en vulkanische activiteit te bestuderen.
"Het meten van grondrotaties zal een nieuwe tegel toevoegen aan dit complexe mozaïek van sensoren", zegt onderzoeksteamlid Danilo Galuzzo van het Nationaal Instituut voor Geofysica en Vulkanologie (INGV).
"Deze aanvullende informatie zal ook helpen bij het uitgebreide begrip van signalen van vulkanische aardbevingen, die cruciaal zijn voor het detecteren van eventuele veranderingen in de dynamiek van vulkanen."
Rotatiebeweging meten
Gyroscopen zijn apparaten die worden gebruikt om veranderingen in oriëntatie of hoeksnelheid (de snelheid waarmee een object roteert) te detecteren en te meten. In smartphones detecteren en meten eenvoudige gyroscopen bijvoorbeeld de oriëntatie en rotatie van het apparaat. Om de rotatie van seismische golven als gevolg van een aardbeving of vulkanische activiteit te meten, ontwikkelden de onderzoekers een complexere gyroscoop op basis van het Sagnac-effect.
Het Sagnac-effect treedt op wanneer licht dat in tegengestelde richtingen rond een gesloten lus reist, verschillende reistijden vertoont. Dit leidt tot meetbare interferentiepatronen in het licht die afhankelijk zijn van de rotatiesnelheid van de lus. Door de lichtinterferentie te meten kan de hoeksnelheid met hoge resolutie worden gedetecteerd.
"Onze laboratoria bevinden zich in het hart van een actief vulkanisch gebied, waardoor een natuurlijke bron van aardbevingen ontstaat", aldus Avino. "Omdat we bijna elke dag kleine tot middelgrote aardbevingen ervaren, kunnen we een groot aantal gegevens over grondrotaties meten en verzamelen, die achtereenvolgens kunnen worden geanalyseerd om seismische en vulkanische verschijnselen in de Campi Flegrei-regio te bestuderen."
Seismische activiteit vastleggen
De onderzoekers assembleerden een prototype van een glasvezelrotatiesensor met behulp van standaard laboratoriuminstrumenten en componenten. Om dit te testen injecteerden ze licht in een twee kilometer lange glasvezelkabel, vergelijkbaar met de kabels die worden gebruikt voor optische telecommunicatie.
De glasvezelkabel vormde een lus waar de input en output met elkaar verbonden zijn, waardoor een continu lichtpad zonder onderbrekingen ontstond, en werd nauwkeurig rond een aluminium spoel met een diameter van 25 cm gewikkeld om een spoel te vormen.
Tijdens de experimenten wordt de optische sensor in een gecontroleerde laboratoriumomgeving bewaard in een gebouw dat bovenop een vulkaancaldera staat:een grote depressie die ontstaat wanneer een vulkaan uitbarst en instort.
"Deze eerste versie van het systeem vertoonde een resolutie die vergelijkbaar is met die van andere ultramoderne glasvezelgyroscopen", zegt de eerste auteur van het artikel, Marialuisa Capezzuto, die van CNR-INO komt en aan het experimentele apparaat werkte. "Het had ook een zeer goede duty-cycle (het tijdspercentage dat het instrument meet/verkrijgt) waardoor we het systeem ongeveer vijf maanden onafgebroken konden laten draaien."
"Het prototype van de gyroscoop kan slechts één van de drie richtingscomponenten van de rotatiebeweging meten. Het combineren van drie dezelfde gyroscopen, elk gericht om een andere rotatieas vast te leggen, zou echter kunnen worden gebruikt om alle drie de componenten vast te leggen", aldus Luigi Santamaria Amato van de Italiaanse ruimtevaartorganisatie (ASI).
Zodra de onderzoekers de resolutie en stabiliteit van het eenassige systeem hebben verbeterd, zijn ze van plan een drieassige gyroscoop op te zetten. Uiteindelijk willen ze een permanent grondrotatie-observatorium creëren in het Campi Flegrei-gebied.