Gracias a un innovador diseño de láser de anillo, Los geofísicos de LMU ahora pueden medir y monitorear la rotación de la Tierra con una precisión sin precedentes. El nuevo instrumento en Fürstenfeldbruck se inaugurará formalmente esta semana.

Hasta ahora, el mundo ha prestado relativamente poca atención a Fürstenfeldbruck, una ciudad situada a unos 20 km de Munich. Ciertamente, no califica como un punto de acceso para la ciencia de vanguardia. Pero eso esta por cambiar. Porque los geofísicos con sede en LMU y la Universidad Técnica de Munich (TUM) han construido un instrumento allí que establece un nuevo estándar en su campo. Enterrado en un búnker subterráneo construido en medio de tierras de cultivo y campos abiertos, el dispositivo ocupa varios cientos de metros cúbicos de espacio. Su propósito es medir los movimientos rotacionales del suelo con mayor sensibilidad y precisión que cualquier otra máquina existente.

Incluso los editores de la principal revista de investigación Ciencias están claramente impresionados por las dimensiones y las capacidades del nuevo instrumento. En un artículo de noticias que apareció en un número reciente de la revista, el nuevo láser de anillo se conoce como el instrumento "más sofisticado" de su tipo en el mundo. El líder del proyecto ROMY (Rotational Motions in Sismology) es Heiner Igel, Catedrático de Sismología en LMU. El concepto le valió una de las subvenciones para investigadores avanzados que otorga el Consejo Europeo de Investigación (ERC). y la LMU pasó a proporcionar los fondos adicionales necesarios para su realización final. Las pruebas y experimentos iniciales han tenido éxito, y el instrumento se pondrá oficialmente en servicio esta semana.

Nuestro planeta inquieto

Los láseres de anillo son exquisitamente sensibles al movimiento de rotación. Ellos pueden, por ejemplo, medir la rotación de la Tierra con una precisión extremadamente alta. Nuestro planeta nunca descansa girando sobre su propio eje todos los días y orbitando alrededor del Sol una vez al año. Pero no sigue exactamente el mismo curso año tras año. Su trayectoria está sujeta a desviaciones mínimas. De hecho, se comporta como la peonza de un niño:ni la orientación de su eje ni la velocidad de su rotación son constantes. Es azotado por fuertes vientos en la atmósfera superior y por corrientes oceánicas en profundidad, y terremotos masivos lo hacen perder el equilibrio. Pero entonces, la Tierra misma es cualquier cosa menos una esfera perfecta. No es de extrañar que no siga el ideal del movimiento circular perfecto que Aristóteles le prescribió una vez.

Es más, cuantificar las variaciones mínimas en los diferentes componentes de los movimientos de la Tierra no es únicamente una cuestión de interés académico. Por ejemplo, Todos los sistemas de navegación basados ​​en GPS deben recalibrarse periódicamente para tener en cuenta estas variaciones. lo que de otro modo daría lugar a errores significativos al determinar la posición de uno en el mundo. Esta tarea se realiza actualmente con la ayuda de la interferometría de referencia muy larga (VLBI), que utiliza una red de radiotelescopios para determinar las distancias entre la Tierra y los quásares seleccionados en el espacio profundo que están a millones de años luz de nosotros. Pero este método es complicado y se necesitan días para llegar al resultado final. Los investigadores de Munich creen que su nuevo láser de anillo les permitirá lograr al menos la misma precisión en mucho menos tiempo. Si tienen razón los resultados podrían actualizarse en segundos en lugar de días.

Pero esto es solo una pequeña parte de la visión de Heiner Igel para el nuevo instrumento de alta gama. - Tiene la intención de abrir una dimensión completamente nueva en sismología usándola para llevar a cabo análisis más detallados de los movimientos del suelo inducidos sísmicamente. Porque cuando ocurre un terremoto, el suelo no solo tiembla hacia arriba y hacia abajo, y de ida y vuelta. Los temblores también se caracterizan por movimientos de inclinación y rotación alrededor de un punto fijo. Hasta aquí, los sismólogos han tenido que ignorar tales movimientos, simplemente porque los sismómetros convencionales no proporcionan ningún medio para medirlos. Sin embargo, Igel cree, contrariamente a la sabiduría recibida, que una imagen realista y completa de los movimientos del suelo durante los terremotos requiere la adquisición e integración de esta información.

En efecto, él y sus colegas esperan que el nuevo láser de anillo proporcione respuestas a toda una serie de preguntas abiertas. Por ejemplo, Los sensores de rotación pueden medir la magnitud de los movimientos del suelo de inclinación y rotación, qué ingenieros estructurales necesitan para mejorar la estabilidad de los edificios en zonas sísmicas. Los sensores de rotación también pueden proporcionar datos que brinden información sobre la dinámica de magma anómala en volcanes activos, y así servir para mejorar la calidad de los estudios de modelado correspondientes. En combinación con otros métodos, Tales mediciones permiten a los geofísicos sondear las propiedades y la dinámica del interior de la Tierra, Igel explica. Y eso no es todo. ROMY también promete arrojar nueva luz sobre cómo los océanos del mundo interactúan físicamente con el planeta, haciendo que oscile permanentemente.

El principio en el que se basa el funcionamiento del instrumento fue demostrado por primera vez por el físico francés Georges Sagnac poco antes del estallido de la Primera Guerra Mundial:mostró que un rayo de luz se dirige alrededor de un curso cerrado (con la ayuda de espejos), el tiempo que se tarda en completar un circuito es independiente de la dirección en la que se propaga. Sin embargo, si se gira el aparato, el rayo que viaja en el mismo sentido que la rotación tarda un poco más en cada vuelta, porque tiene que cubrir una distancia mayor que un rayo transmitido en la dirección opuesta. Debido a esta diferencia en la longitud de la ruta, dos haces en contrapropagación estarán desfasados ​​uno con respecto al otro y, cuando se recombinan, producen un patrón de interferencia típico. Exactamente de la misma manera, cuando dos notas que están ligeramente desafinadas suenan juntas, producen una nota de tiempo característica que varía regularmente en el tono. Es más, la velocidad de rotación se puede calcular a partir de la frecuencia de la nota de tiempo producida cuando se superponen los haces que se propagan en contra.

Igel y el físico láser Ulrich Schreiber del TUM hicieron uso de este principio en su diseño de ROMY para medir los movimientos de giro o inclinación. En este caso, los rayos láser se propagan a lo largo no de uno sino de cuatro ejes. Cada uno de los cuatro caminos de luz forma los bordes de un triángulo equilátero con lados de 12 m de largo, En cada vértice, la luz es desviada por espejos, cuyas posiciones se pueden ajustar con alta precisión. Juntos, los cuatro anillos forman las caras de un regular, tetraedro invertido cuyo vértice se encuentra a 15 m bajo tierra. Esta configuración permite a los científicos medir los movimientos de rotación en todas las direcciones.

Cinco km de fibra óptica, herida apretada

"Nos tomó dos años averiguar cómo construirlo, "Dice Igel. Para garantizar una alta sensibilidad, los láseres de anillo deben estar protegidos de las interferencias ambientales. Por ejemplo, para proteger el instrumento de las aguas subterráneas, estaba encerrado en un caparazón de hormigón tetraédrico, como una planta en una maceta. Igel se dio cuenta desde el principio de que necesitaba tener a su colega de TUM a bordo para que el proyecto fuera un éxito, porque Schreiber ya había diseñado y construido varios sistemas láser de anillo en Alemania. Nueva Zelanda, EE.UU, Italia y otros lugares. ROMY, sin embargo, es sin duda su obra maestra. La incorporación de la ingeniería de precisión controlada por computadora en un instrumento con dimensiones de 12 m requiere un nuevo nivel de meticulosidad.

Mientras tanto, el instrumento no solo ha sido probado y calibrado, ya ha realizado toda una serie de mediciones que constituirán la base de varias publicaciones. Por ejemplo, Se han caracterizado algunas de las réplicas observadas después de la serie de terremotos en Norcia en el centro de Italia en octubre de 2016, así como el ruido sísmico generado por los océanos de la Tierra.

Registrar la inclinación y los movimientos de rotación hasta ahora no cuantificables en el campo, es decir, en las proximidades del foco sísmico de un terremoto, requerirá el uso de instrumentos portátiles, Igel dice, y los investigadores responsables de ROMY ya han dado un paso importante hacia este objetivo. Se han asociado con una empresa especializada en Francia para desarrollar un sensor portátil de fibra óptica, y los primeros prototipos se expusieron en una gran conferencia de geociencias celebrada en Viena en abril. Estos instrumentos utilizan una fibra óptica extremadamente fina de 5 km de longitud, que se enrolla en un carrete:"Un verdadero hito, "Igel se entusiasma. Las mediciones iniciales realizadas en el centro de Italia, y en la isla volcánica de Stromboli frente a la costa norte de Sicilia "luce bien, " él dice.

Los pioneros en Munich esperan que otros sigan el ejemplo de ROMY. Si es así, Algún día deberíamos tener una red global de sismómetros láser de anillo que finalmente puedan proporcionarnos una imagen verdaderamente completa de la dinámica de los movimientos de la Tierra. En tal red, El anillo de Fürstenfeldbruck serviría como un nodo esencial:un punto de acceso, por así decirlo.