Los investigadores han construido un prototipo de giroscopio de fibra óptica para monitorear en alta resolución y en tiempo real las rotaciones del suelo causadas por terremotos en la zona volcánica activa de Campi Flegrei en Nápoles, Italia. Una mejor comprensión de la actividad sísmica en esta zona altamente poblada podría mejorar la evaluación de riesgos y conducir a mejores sistemas de alerta temprana.
"Cuando se produce actividad sísmica, la superficie de la Tierra experimenta movimientos tanto lineales como rotacionales", dijo el líder del equipo de investigación Saverio Avino del Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO) en Italia. "Aunque las rotaciones son generalmente muy pequeñas y no suelen ser monitoreadas, la capacidad de capturarlas proporcionaría una comprensión más completa de la dinámica interna de la Tierra y las fuentes sísmicas".
En la revista Óptica Aplicada Los investigadores presentan datos de observación preliminares del sensor de rotación, que se basa en un giroscopio de fibra óptica de 2 kilómetros de largo. El sensor funcionó bien mientras registraba datos continuamente durante cinco meses y fue capaz de detectar ruido y rotaciones del suelo de terremotos locales pequeños y medianos.
La ciudad metropolitana de Nápoles tiene una población de alrededor de 3 millones de personas y tres volcanes activos. Toda el área está cubierta por una red de sensores multiparamétricos que brindan monitoreo en tiempo real de diversos parámetros físicos y químicos utilizados para estudiar la actividad sísmica y volcánica.
"La medición de las rotaciones del suelo añadirá otra pieza a este complejo mosaico de sensores", afirmó Danilo Galuzzo, miembro del equipo de investigación del Instituto Nacional de Geofísica y Vulcanología (INGV).
"Esta información adicional también ayudará a comprender exhaustivamente las señales de los terremotos volcánicos, que son cruciales para detectar cualquier cambio en la dinámica de los volcanes".
Medición del movimiento de rotación
Los giroscopios son dispositivos que se utilizan para detectar y medir cambios en la orientación o la velocidad angular (la velocidad a la que gira un objeto). Por ejemplo, en los teléfonos inteligentes, los giroscopios simples detectan y miden la orientación y rotación del dispositivo. Para medir la rotación de las ondas sísmicas de un terremoto o actividad volcánica, los investigadores desarrollaron un giroscopio más complejo basado en el efecto Sagnac.
El efecto Sagnac ocurre cuando la luz que viaja en direcciones opuestas alrededor de un circuito cerrado presenta diferentes tiempos de viaje. Esto conduce a patrones de interferencia medibles en la luz que dependen de la velocidad de rotación del bucle. Al medir la interferencia de la luz, se puede detectar la velocidad angular con alta resolución.
"Nuestros laboratorios están ubicados en el corazón de una zona volcánica activa, lo que crea una fuente natural de terremotos", dijo Avino. "Como experimentamos terremotos pequeños y medianos casi todos los días, podemos medir y adquirir una gran cantidad de datos sobre las rotaciones del suelo, que pueden analizarse sucesivamente para estudiar los fenómenos sísmicos y volcánicos de la región de Campi Flegrei."
Los investigadores ensamblaron un prototipo de sensor rotacional de fibra óptica utilizando instrumentos y componentes de laboratorio estándar. Para probarlo, inyectaron luz en un cable de fibra óptica de 2 kilómetros de longitud, similar a los que se utilizan para las telecomunicaciones ópticas.
El cable de fibra formó un bucle donde se conectan la entrada y la salida, creando un camino de luz continuo y sin interrupciones, y se enrolló con precisión alrededor de un carrete de aluminio con un diámetro de 25 cm para formar una bobina.
Durante los experimentos, el sensor óptico se mantiene en un ambiente de laboratorio controlado en un edificio que se encuentra en la cima de la caldera de un volcán, una gran depresión que se forma cuando un volcán entra en erupción y colapsa.
"Esta primera versión del sistema mostró una resolución comparable a la de otros giroscopios de fibra óptica de última generación", dijo la primera autora del artículo, Marialuisa Capezzuto, del CNR-INO y trabajó en el aparato experimental. "También tenía un ciclo de trabajo muy bueno (el porcentaje de tiempo que el instrumento mide/adquiere datos) lo que nos permitió ejecutar el sistema de forma continua durante unos cinco meses".
"El prototipo de giroscopio sólo puede medir uno de los tres componentes direccionales del movimiento de rotación. Sin embargo, combinando tres giroscopios iguales, cada uno orientado para capturar un eje de rotación diferente, podría usarse para capturar los tres componentes", dijo Luigi Santamaria. Amato de la Agencia Espacial Italiana (ASI).
Una vez que los investigadores hayan mejorado la resolución y la estabilidad del sistema de un solo eje, planean instalar un giroscopio de tres ejes. Con el tiempo, quieren crear un observatorio permanente de rotación terrestre en la zona de Campi Flegrei.
Más información: Marialuisa Capezzuto et al, Giroscopio de fibra óptica para el seguimiento del movimiento sísmico rotacional del suelo en la zona volcánica de Campi Flegrei, Óptica Aplicada (2024). DOI:10.1364/AO.518354
Proporcionado por Óptica
