Giroscópio de fibra óptica altamente sensível detecta movimento rotacional do solo ao redor do vulcão ativo
Os pesquisadores construíram um protótipo de giroscópio de fibra óptica (foto) para monitoramento em alta resolução e em tempo real das rotações do solo causadas por terremotos em uma área vulcânica ativa. As fibras são enroladas com precisão em torno de um carretel de alumínio para formar um giroscópio baseado no efeito Sagnac. Crédito:Saverio Avino, CNR-INO Os pesquisadores construíram um protótipo de giroscópio de fibra óptica para monitoramento de alta resolução e em tempo real das rotações do solo causadas por terremotos na área vulcânica ativa de Campi Flegrei, em Nápoles, Itália. Uma melhor compreensão da actividade sísmica nesta área altamente povoada poderia melhorar a avaliação dos riscos e levar a melhores sistemas de alerta precoce.
“Quando ocorre atividade sísmica, a superfície da Terra experimenta movimentos lineares e rotacionais”, disse o líder da equipe de pesquisa, Saverio Avino, do Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO), na Itália. “Embora as rotações sejam geralmente muito pequenas e geralmente não monitoradas, a capacidade de capturá-las forneceria uma compreensão mais completa da dinâmica interna da Terra e das fontes sísmicas”.
Na revista Óptica Aplicada , os pesquisadores relatam dados observacionais preliminares do sensor rotacional, que é baseado em um giroscópio de fibra óptica de 2 km de comprimento. O sensor teve um bom desempenho ao registrar dados continuamente durante cinco meses e foi capaz de detectar ruídos e rotações do solo de terremotos locais de pequeno a médio porte.
A cidade metropolitana de Nápoles tem uma população de cerca de 3 milhões de pessoas e três vulcões ativos. Toda a área é coberta por uma grade de sensores multiparamétricos que fornecem monitoramento em tempo real de diversos parâmetros físicos e químicos utilizados para estudar a atividade sísmica e vulcânica.
“A medição das rotações do solo irá acrescentar mais um elemento a este complexo mosaico de sensores”, disse Danilo Galuzzo, membro da equipa de investigação, do Instituto Nacional de Geofísica e Vulcanologia (INGV).
“Esta informação adicional também ajudará na compreensão abrangente dos sinais de terremotos vulcânicos, que são cruciais para detectar quaisquer mudanças na dinâmica dos vulcões”.
O giroscópio de fibra óptica capturou terremotos de pequeno a médio porte, incluindo este enxame de terremotos, na área vulcânica de Campi Flegrei, em Nápoles, Itália. Crédito:Saverio Avino, CNR-INO
Medir o movimento rotacional
Giroscópios são dispositivos usados para detectar e medir mudanças na orientação ou velocidade angular – a taxa na qual um objeto gira. Por exemplo, em smartphones, giroscópios simples detectam e medem a orientação e rotação do dispositivo. Para medir a rotação nas ondas sísmicas de um terremoto ou atividade vulcânica, os pesquisadores desenvolveram um giroscópio mais complexo baseado no efeito Sagnac.
O efeito Sagnac ocorre quando a luz viajando em direções opostas em torno de um circuito fechado apresenta diferentes tempos de viagem. Isto leva a padrões de interferência mensuráveis na luz que dependem da taxa de rotação do loop. Ao medir a interferência da luz, a velocidade angular pode ser detectada com alta resolução.
“Nossos laboratórios estão localizados no coração de uma área vulcânica ativa, criando assim uma fonte natural de terremotos”, disse Avino. “Como experimentamos terremotos pequenos/médios quase todos os dias, podemos medir e adquirir um grande número de dados sobre rotações do solo, que podem ser analisados sucessivamente para estudar fenômenos sísmicos e vulcânicos da região de Campi Flegrei.”
Captura de atividade sísmica
Os pesquisadores montaram um protótipo de sensor rotacional de fibra óptica usando instrumentação e componentes padrão de laboratório. Para testá-lo, eles injetaram luz em um cabo de fibra óptica de 2 quilômetros de comprimento, semelhante aos usados para telecomunicações ópticas.
Os laboratórios do Consiglio Nazionale delle Ricerche são retratados no sopé do vulcão inativo Monte Gauro. Crédito:Saverio Avino, CNR-INO
O cabo de fibra formou um loop onde a entrada e a saída são conectadas, criando um caminho de luz contínuo e sem quebras, e foi enrolado com precisão em um carretel de alumínio com diâmetro de 25 cm para formar uma bobina.
Durante as experiências, o sensor óptico é mantido num ambiente de laboratório controlado num edifício que fica no topo de uma caldeira vulcânica – uma grande depressão formada quando um vulcão entra em erupção e entra em colapso.
“Esta primeira versão do sistema apresentou uma resolução comparável a outros giroscópios de fibra óptica de última geração”, disse a primeira autora do artigo, Marialuisa Capezzuto, que é do CNR-INO e trabalhou no aparato experimental. "Ele também tinha um ciclo de trabalho muito bom - a porcentagem de tempo que o instrumento mede/adquire dados - o que nos permitiu operar o sistema continuamente por cerca de cinco meses."
"O protótipo do giroscópio só pode medir um dos três componentes direcionais do movimento de rotação. No entanto, combinar três giroscópios iguais, cada um orientado para capturar um eixo de rotação diferente, poderia ser usado para capturar todos os três componentes, "disse Luigi Santamaria Amato da Agência Espacial Italiana (ASI).
Depois que os pesquisadores melhorarem a resolução e a estabilidade do sistema de eixo único, eles planejam configurar um giroscópio de três eixos. Eventualmente, eles querem criar um observatório permanente de rotação terrestre na área de Campi Flegrei.
