Grazie ad un innovativo design laser ad anello, i geofisici della LMU possono ora misurare e monitorare la rotazione terrestre con una precisione senza precedenti. Il nuovo strumento a Fürstenfeldbruck sarà ufficialmente inaugurato questa settimana.

Finora il mondo ha prestato relativamente poca attenzione a Fürstenfeldbruck, una cittadina situata a circa 20 km da Monaco di Baviera. Certamente non è considerato un hotspot per la scienza all'avanguardia. Ma questo sta per cambiare. Per i geofisici con sede presso LMU e l'Università tecnica di Monaco di Baviera (TUM) hanno costruito uno strumento che stabilisce un nuovo standard nel suo campo. Sepolto in un bunker sotterraneo costruito tra terreni coltivati ​​e campi aperti, il dispositivo occupa diverse centinaia di metri cubi di spazio. Il suo scopo è misurare i movimenti rotatori del suolo con maggiore sensibilità e precisione rispetto a qualsiasi altra macchina esistente.

Anche gli editori della principale rivista di ricerca Scienza sono chiaramente impressionati dalle dimensioni – e dalle capacità – del nuovo strumento. In un articolo apparso su un recente numero della rivista, il nuovo laser ad anello è indicato come lo strumento "più sofisticato" del suo genere al mondo. Il capofila del progetto ROMY (Rotational Motions in Seismology) è Heiner Igel, Professore di Sismologia alla LMU. Il concetto gli è valso uno dei ricchissimi Advanced Investigator Grants assegnati dal Consiglio europeo della ricerca (ERC), e la LMU ha continuato a fornire i finanziamenti aggiuntivi necessari per la sua realizzazione finale. I primi test ed esperimenti hanno avuto successo, e lo strumento sarà ufficialmente messo in servizio questa settimana.

Il nostro pianeta inquieto

I laser ad anello sono estremamente sensibili al movimento rotatorio. Loro possono, Per esempio, misurare la rotazione terrestre con estrema precisione. Il nostro pianeta non è mai a riposo, ruotando ogni giorno sul proprio asse e orbitando attorno al Sole una volta all'anno. Ma non segue esattamente lo stesso corso anno per anno. La sua traiettoria è soggetta a deviazioni minime. Infatti, si comporta proprio come la trottola di un bambino:né l'orientamento del suo asse né la velocità di rotazione sono costanti. È colpito da forti venti nell'alta atmosfera e dalle correnti oceaniche in profondità, e massicci terremoti lo scompigliano. Ma allora, la Terra stessa è tutt'altro che una sfera perfetta. Non c'è da stupirsi che non segua l'ideale del moto circolare perfetto che Aristotele gli aveva prescritto una volta.

Inoltre, quantificare le variazioni minime nelle molte diverse componenti dei moti della Terra non è solo una questione di interesse accademico. Per esempio, tutti i sistemi di navigazione basati su GPS devono essere periodicamente ricalibrati per tenere conto di queste variazioni, che altrimenti darebbe luogo a errori significativi nel determinare la propria posizione nel globo. Questo compito è attualmente svolto con l'ausilio dell'interferometria della linea di base molto lunga (VLBI), che utilizza una rete di radiotelescopi per determinare le distanze tra la Terra e quasar selezionati nello spazio profondo che distano milioni di anni luce da noi. Ma questo metodo è complicato e ci vogliono giorni per arrivare al risultato finale. I ricercatori di Monaco ritengono che il loro nuovo laser ad anello consentirà loro di ottenere almeno la stessa precisione in molto meno tempo. Se hanno ragione, i risultati potrebbero essere aggiornati in pochi secondi anziché giorni.

Ma questa è solo una piccola parte della visione di Heiner Igel per il nuovo strumento di fascia alta. – Intende aprire una dimensione completamente nuova nella sismologia utilizzandola per effettuare analisi più dettagliate dei moti del suolo indotti dal sisma. Perché quando si verifica un terremoto, la terra non solo scuote su e giù, e avanti e indietro. I tremori sono anche caratterizzati da movimenti di inclinazione e rotazione attorno a un punto fisso. Finora, i sismologi hanno dovuto ignorare tali movimenti, semplicemente perché i sismometri convenzionali non forniscono alcun mezzo per misurarli. Però, Igel ritiene – contrariamente alla saggezza popolare – che un quadro realistico e completo dei movimenti del suolo durante i terremoti richieda l'acquisizione e l'integrazione di queste informazioni.

Infatti, lui ei suoi colleghi sperano che il nuovo laser ad anello fornisca risposte a tutta una serie di domande aperte. Ad esempio, i sensori di rotazione possono misurare l'entità dei movimenti di inclinazione e rotazione del suolo, di cui hanno bisogno gli ingegneri strutturisti per migliorare la stabilità degli edifici nelle zone sismiche. I sensori di rotazione possono anche fornire dati che forniscono approfondimenti sulle dinamiche anomale del magma nei vulcani attivi, e quindi servono a migliorare la qualità degli studi di modellazione corrispondenti. In combinazione con altri metodi, tali misurazioni consentono ai geofisici di sondare le proprietà e la dinamica dell'interno della Terra, spiega Igel. E non è tutto. ROMY promette anche di gettare nuova luce su come gli oceani del mondo interagiscono fisicamente con il pianeta, facendolo oscillare permanentemente.

Il principio su cui si basa il funzionamento dello strumento fu dimostrato per la prima volta dal fisico francese Georges Sagnac poco prima dello scoppio della prima guerra mondiale:mostrò che un raggio di luce è diretto intorno a un percorso chiuso (con l'ausilio di specchi), il tempo necessario per completare un circuito è indipendente dalla direzione in cui si propaga. Però, se l'apparecchio viene ruotato, il raggio viaggia nello stesso senso della rotazione impiega leggermente più tempo per ogni giro – perché deve coprire una distanza maggiore di un raggio trasmesso in direzione opposta. A causa di questa differenza nella lunghezza del percorso, due fasci contropropaganti saranno sfasati l'uno rispetto all'altro e, quando ricombinato, producono un tipico schema di interferenza. Esattamente allo stesso modo, quando si suonano insieme due note leggermente stonate, producono una nota battuta caratteristica che varia regolarmente in altezza. Inoltre, la velocità di rotazione può essere calcolata dalla frequenza della nota di battuta prodotta quando i fasci di contropropagazione sono sovrapposti.

Igel e il fisico laser Ulrich Schreiber della TUM hanno utilizzato questo principio nel loro progetto per ROMY per misurare i movimenti di rotazione o inclinazione. In questo caso, i raggi laser si propagano lungo non uno ma quattro assi. Ciascuno dei quattro percorsi luminosi forma i bordi di un triangolo equilatero con lati lunghi 12 m, Ad ogni vertice, la luce è deviata da specchi, le cui posizioni possono essere regolate con elevata precisione. Insieme, i quattro anelli formano le facce di un regolare, tetraedro rovesciato il cui apice si trova a 15 m sottoterra. Questa configurazione consente agli scienziati di misurare i movimenti di rotazione in tutte le direzioni.

Cinque km di fibra ottica, avvolto strettamente

"Ci sono voluti due anni per capire come costruirlo, " dice Igel. Per garantire un'elevata sensibilità, i laser ad anello devono essere schermati dalle interferenze ambientali. Per esempio, per proteggere lo strumento dalle acque sotterranee, era racchiuso in un guscio di cemento tetraedrico, come una pianta in un vaso di fiori. Igel ha capito presto che aveva bisogno di avere a bordo il suo collega della TUM per rendere il progetto un successo - poiché Schreiber aveva già progettato e costruito diversi sistemi laser ad anello in Germania, Nuova Zelanda, Gli stati uniti, Italia e altrove. ROMIA, però, è senza dubbio il suo capolavoro. Incorporare l'ingegneria di precisione controllata da computer in uno strumento con dimensioni di 12 m richiede un nuovo livello di meticolosità.

Nel frattempo, lo strumento non è stato solo testato e calibrato, ha già effettuato tutta una serie di misurazioni che costituiranno la base per diverse pubblicazioni. Per esempio, sono state caratterizzate alcune delle scosse di assestamento osservate dopo la serie di terremoti di Norcia nel Centro Italia dell'ottobre 2016, così come il rumore sismico generato dagli oceani della Terra.

Registrando l'inclinazione e i movimenti di rotazione finora non quantificabili nel campo, cioè in prossimità del fuoco sismico di un terremoto, richiederà l'uso di strumenti portatili, Igel afferma – e i ricercatori responsabili di ROMY hanno già compiuto un passo importante verso questo obiettivo. Hanno collaborato con un'azienda specializzata in Francia per sviluppare un sensore portatile a fibra ottica, e i primi prototipi sono stati esposti in una grande conferenza di geoscienze tenutasi a Vienna in aprile. Questi strumenti utilizzano una fibra ottica estremamente sottile di 5 km di lunghezza, che è arrotolato su un rocchetto:"Un vero traguardo, " Igel si entusiasma. Le prime misurazioni effettuate nel Centro Italia, e sull'isola vulcanica di Stromboli al largo della costa settentrionale della Sicilia "guarda bene, " lui dice.

I pionieri di Monaco sperano che altri seguano l'esempio dato da ROMY. Se è così, un giorno dovremmo avere una rete globale di sismometri laser ad anello che possano finalmente fornirci un quadro veramente completo della dinamica dei moti della Terra. In una rete del genere, L'anello di Fürstenfeldbruck fungerebbe da nodo essenziale:un hotspot, per così dire.