Graças a um design inovador de laser de anel, geofísicos da LMU agora podem medir e monitorar a rotação da Terra com uma precisão sem precedentes. O novo instrumento em Fürstenfeldbruck será inaugurado formalmente esta semana.

O mundo tem dado relativamente pouca atenção a Fürstenfeldbruck, uma cidade localizada a cerca de 20 km de Munique. Certamente não é um ponto importante para a ciência de ponta. Mas isso está para mudar. Para geofísicos baseados na LMU e na Universidade Técnica de Munique (TUM), construíram um instrumento que estabelece um novo padrão em seu campo. Enterrado em um bunker subterrâneo construído em meio a plantações e campos abertos, o dispositivo ocupa várias centenas de metros cúbicos de espaço. Seu objetivo é medir os movimentos rotacionais do solo com maior sensibilidade e precisão do que qualquer outra máquina existente.

Até mesmo os editores do principal jornal de pesquisa Ciência estão claramente impressionados com as dimensões - e as capacidades - do novo instrumento. Em uma notícia publicada em uma edição recente da revista, o novo anel de laser é conhecido como o instrumento "mais sofisticado" de seu tipo no mundo. O líder do projeto ROMY (Rotational Motions in Sismology) é Heiner Igel, Professor de Sismologia na LMU. O conceito rendeu-lhe um dos subsídios para Investigadores Avançados, ricamente dotados, concedidos pelo European Research Council (ERC), e o LMU passou a fornecer o financiamento adicional necessário para sua realização final. Os testes e experimentos iniciais foram bem-sucedidos, e o instrumento será oficialmente colocado em serviço nesta semana.

Nosso planeta inquieto

Os lasers em anel são extremamente sensíveis ao movimento rotacional. Eles podem, por exemplo, meça a rotação da Terra com precisão extremamente alta. Nosso planeta nunca está em repouso, girando em seu próprio eixo todos os dias e orbitando o Sol uma vez por ano. Mas não segue exatamente o mesmo curso ano após ano. Sua trajetória está sujeita a desvios mínimos. Na verdade, ele se comporta exatamente como o pião de uma criança:nem a orientação de seu eixo nem a velocidade de sua rotação são constantes. É golpeado por fortes ventos na alta atmosfera e pelas correntes oceânicas em profundidade, e terremotos massivos o desequilibram. Mas então, a própria Terra é tudo menos uma esfera perfeita. Não é de admirar que ele não siga o ideal de movimento circular perfeito que Aristóteles uma vez prescreveu para ele.

Além disso, quantificar as variações mínimas nos diversos componentes dos movimentos da Terra não é apenas uma questão de interesse acadêmico. Por exemplo, todos os sistemas de navegação baseados em GPS devem ser recalibrados periodicamente para levar em conta essas variações, o que, de outra forma, daria origem a erros significativos na determinação da posição de alguém no globo. Esta tarefa é realizada atualmente com o auxílio de Very Long Baseline Interferometry (VLBI), que usa uma rede de radiotelescópios para determinar as distâncias entre a Terra e os quasares selecionados no espaço profundo que estão a milhões de anos-luz de nós. Mas esse método é complicado e leva dias para chegar ao resultado final. Os pesquisadores de Munique acreditam que seu novo anel de laser permitirá que eles atinjam pelo menos a mesma precisão em muito menos tempo. Se eles estiverem certos, os resultados podem ser atualizados em segundos, em vez de dias.

Mas esta é apenas uma pequena parte da visão de Heiner Igel para o novo instrumento de ponta. - Ele pretende abrir uma dimensão totalmente nova na sismologia, usando-a para realizar análises mais detalhadas de movimentos terrestres induzidos sismicamente. Pois quando ocorre um terremoto, o chão não só balança para cima e para baixo, e para frente e para trás. Os tremores também são caracterizados por movimentos de inclinação e rotação em torno de um ponto fixo. Até aqui, sismólogos tiveram que ignorar tais movimentos, simplesmente porque os sismômetros convencionais não fornecem meios de medi-los. Contudo, Igel acredita - ao contrário do que se pensa - que uma imagem realista e completa dos movimentos do solo durante os terremotos requer a aquisição e integração dessas informações.

De fato, ele e seus colegas esperam que o novo anel de laser forneça respostas para toda uma série de perguntas em aberto. Por exemplo, sensores de rotação podem medir a magnitude dos movimentos de inclinação e rotação do solo, quais engenheiros estruturais precisam para aumentar a estabilidade dos edifícios em zonas de terremoto. Os sensores de rotação também podem fornecer dados que fornecem informações sobre a dinâmica anômala do magma em vulcões ativos, e, assim, servem para melhorar a qualidade dos estudos de modelagem correspondentes. Em combinação com outros métodos, tais medições permitem aos geofísicos sondar as propriedades e a dinâmica do interior da Terra, Igel explica. E isso não é tudo. ROMY também promete lançar uma nova luz sobre como os oceanos do mundo interagem fisicamente com o planeta, fazendo com que oscile permanentemente.

O princípio em que se baseia o funcionamento do instrumento foi demonstrado pela primeira vez pelo físico francês Georges Sagnac, pouco antes da eclosão da Primeira Guerra Mundial:ele mostrou que um feixe de luz é direcionado ao redor de um curso fechado (com a ajuda de espelhos), o tempo que leva para completar um circuito é independente da direção em que ele se propaga. Contudo, se o aparelho for girado, o feixe viajando no mesmo sentido que a rotação leva um pouco mais de tempo a cada volta - porque tem que cobrir uma distância maior do que um feixe transmitido na direção oposta. Devido a esta diferença no comprimento do caminho, dois feixes de contra-propagação serão deslocados de fase em relação um ao outro e, quando recombinado, eles produzem um padrão de interferência típico. Exatamente da mesma maneira, quando duas notas ligeiramente desafinadas soam juntas, eles produzem uma nota de batida característica que varia regularmente em altura. Além disso, a taxa de rotação pode ser calculada a partir da frequência da nota de batida produzida quando os feixes de contra-propagação são sobrepostos.

Igel e o físico de laser Ulrich Schreiber do TUM fizeram uso desse princípio em seu projeto para ROMY para medir movimentos de rotação ou inclinação. Nesse caso, os feixes de laser são propagados ao longo não de um, mas de quatro eixos. Cada um dos quatro caminhos de luz forma as bordas de um triângulo equilátero com lados de 12 m de comprimento, Em cada ápice, a luz é desviada por espelhos, cujas posições podem ser ajustadas com alta precisão. Juntos, os quatro anéis formam as faces de um regular, tetraedro invertido cujo ápice fica 15 m abaixo do solo. Esta configuração permite aos cientistas medir os movimentos rotacionais em todas as direções.

5 km de fibra ótica, bem enrolado

"Levamos dois anos para descobrir como construí-lo, "Diz Igel. Para garantir alta sensibilidade, os lasers de anel devem ser protegidos de interferências ambientais. Por exemplo, a fim de proteger o instrumento da água subterrânea, estava envolto em uma concha de concreto tetraédrica - como uma planta em um vaso de flores. Igel percebeu desde o início que precisava ter seu colega do TUM a bordo para tornar o projeto um sucesso - pois Schreiber já havia projetado e construído vários sistemas de laser de anel na Alemanha, Nova Zelândia, os Estados Unidos, Itália e outros lugares. ROMY, Contudo, é sem dúvida sua obra-prima. Incorporar engenharia de precisão controlada por computador em um instrumento com dimensões de 12 m requer um novo nível de meticulosidade.

Enquanto isso, o instrumento não foi apenas testado e calibrado, já realizou toda uma série de medições que servirão de base a várias publicações. Por exemplo, alguns dos tremores secundários observados após a série de terremotos em Norcia, no centro da Itália em outubro de 2016, foram caracterizados, bem como o ruído sísmico gerado pelos oceanos da Terra.

Registrando a inclinação e os movimentos rotacionais até então não quantificáveis ​​no campo, ou seja, nas proximidades do foco sísmico de um terremoto, exigirá o uso de instrumentos portáteis, Diz Igel - e os pesquisadores responsáveis ​​pelo ROMY já deram um grande passo nesse sentido. Eles se uniram a uma empresa especializada na França para desenvolver um sensor portátil baseado em fibra óptica, e os primeiros protótipos foram exibidos em uma grande conferência de geociências realizada em Viena em abril. Esses instrumentos usam uma fibra óptica extremamente fina de 5 km de comprimento, que é enrolado em um carretel:"Um verdadeiro marco, "Igel se entusiasma. As medições iniciais realizadas no centro da Itália, e na ilha vulcânica de Stromboli, na costa norte da Sicília "parece bom, " ele diz.

Os pioneiros em Munique esperam que outros sigam o exemplo dado por ROMY. Se então, deveríamos algum dia ter uma rede global de sismômetros de anel a laser que possam finalmente nos fornecer uma imagem verdadeiramente abrangente da dinâmica dos movimentos da Terra. Em tal rede, O anel de Fürstenfeldbruck serviria como um nó essencial - um ponto de acesso, por assim dizer.