I ricercatori hanno costruito un prototipo di giroscopio a fibra ottica per il monitoraggio in tempo reale e ad alta risoluzione delle rotazioni del suolo causate dai terremoti nell'area vulcanica attiva dei Campi Flegrei a Napoli, Italia. Una migliore comprensione dell'attività sismica in quest'area altamente popolata potrebbe migliorare la valutazione del rischio e portare a migliori sistemi di allerta precoce.
"Quando si verifica un'attività sismica, la superficie terrestre subisce movimenti sia lineari che rotazionali", ha affermato il leader del gruppo di ricerca Saverio Avino del Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO) in Italia. "Sebbene le rotazioni siano generalmente molto piccole e solitamente non monitorate, la capacità di catturarle fornirebbe una comprensione più completa delle dinamiche interne della Terra e delle fonti sismiche."
Nella rivista Ottica applicata , i ricercatori riportano dati di osservazione preliminari dal sensore rotazionale, che si basa su un giroscopio a fibra ottica lungo 2 km. Il sensore ha funzionato bene durante la registrazione continua di dati per cinque mesi ed è stato in grado di rilevare il rumore e le rotazioni del terreno derivanti da terremoti locali di piccole e medie dimensioni.
La città metropolitana di Napoli ha una popolazione di circa 3 milioni di abitanti e tre vulcani attivi. L'intera area è coperta da una griglia di sensori multiparametrici che forniscono il monitoraggio in tempo reale di diversi parametri fisici e chimici utilizzati per lo studio dell'attività sismica e vulcanica.
"La misurazione delle rotazioni del terreno aggiungerà un'altra tessera a questo complesso mosaico di sensori", ha affermato Danilo Galuzzo, membro del gruppo di ricerca dell'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV).
"Queste informazioni aggiuntive aiuteranno anche a comprendere a fondo i segnali dei terremoti vulcanici, che sono cruciali per rilevare eventuali cambiamenti nella dinamica dei vulcani."
Misurazione del movimento rotatorio
I giroscopi sono dispositivi utilizzati per rilevare e misurare i cambiamenti nell'orientamento o nella velocità angolare, ovvero la velocità con cui un oggetto ruota. Ad esempio, negli smartphone semplici giroscopi rilevano e misurano l'orientamento e la rotazione del dispositivo. Per misurare la rotazione delle onde sismiche derivanti da un terremoto o da un'attività vulcanica, i ricercatori hanno sviluppato un giroscopio più complesso basato sull'effetto Sagnac.
L'effetto Sagnac si verifica quando la luce che viaggia in direzioni opposte attorno ad un circuito chiuso presenta tempi di percorrenza diversi. Ciò porta a modelli di interferenza misurabili nella luce che dipendono dalla velocità di rotazione del circuito. Misurando l'interferenza della luce, la velocità angolare può essere rilevata con alta risoluzione.
"I nostri laboratori sono situati nel cuore di un'area vulcanica attiva, creando così una fonte naturale di terremoti", ha affermato Avino. "Poiché si verificano quasi ogni giorno terremoti di piccola e media entità, possiamo misurare e acquisire un gran numero di dati sulle rotazioni del terreno, che possono essere successivamente analizzati per studiare i fenomeni sismici e vulcanici della regione dei Campi Flegrei."
I ricercatori hanno assemblato un prototipo di sensore rotazionale in fibra ottica utilizzando strumentazione e componenti standard di laboratorio. Per testarlo, hanno iniettato luce in un cavo in fibra ottica lungo 2 chilometri, simile a quelli utilizzati per le telecomunicazioni ottiche.
Il cavo in fibra formava un anello in cui l'ingresso e l'uscita erano collegati, creando un percorso luminoso continuo senza interruzioni, ed era avvolto con precisione attorno a una bobina di alluminio del diametro di 25 cm per formare una bobina.
Durante gli esperimenti, il sensore ottico viene mantenuto in un ambiente di laboratorio controllato in un edificio che si trova sulla sommità della caldera di un vulcano, una grande depressione che si forma quando un vulcano erutta e collassa.
"Questa prima versione del sistema ha mostrato una risoluzione paragonabile ad altri giroscopi a fibra ottica all'avanguardia", ha affermato la prima autrice dell'articolo Marialuisa Capezzuto, del CNR-INO e che ha lavorato all'apparato sperimentale. "Aveva anche un ottimo ciclo di lavoro, la percentuale di tempo in cui lo strumento misura/acquisisce dati, che ci ha permesso di far funzionare il sistema ininterrottamente per circa cinque mesi."
"Il giroscopio prototipo può misurare solo una delle tre componenti direzionali del movimento di rotazione. Tuttavia, combinando tre degli stessi giroscopi, ciascuno orientato per catturare un diverso asse di rotazione, si potrebbe usare per catturare tutte e tre le componenti", ha affermato Luigi Santamaria. Amato dell'Agenzia Spaziale Italiana (ASI).
Una volta che i ricercatori avranno migliorato la risoluzione e la stabilità del sistema ad asse singolo, progettano di creare un giroscopio a tre assi. Eventualmente si vuole creare un osservatorio permanente sulla rotazione del suolo nell'area dei Campi Flegrei.
Ulteriori informazioni: Marialuisa Capezzuto et al, Giroscopio a fibra ottica per il monitoraggio del movimento sismico rotazionale del suolo nell'area vulcanica dei Campi Flegrei, Ottica applicata (2024). DOI:10.1364/AO.518354
Fornito da Ottica
