Гіроскоп для моніторингу вулканів відкриває сейсмічні секрети

Дослідники розробили прототип оптоволоконного гіроскопа для моніторингу обертання землі під час землетрусів у Кампі Флегрей, Неаполь. Ця передова система датчиків, яка фіксує обертальні та лінійні рухи, може сприяти кращій оцінці ризиків і системам раннього попередження в цьому вулканічному регіоні.

«Коли відбувається сейсмічна активність, поверхня Землі зазнає як лінійних, так і обертальних рухів», — сказав керівник дослідницької групи Саверіо Авіно з Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto Nazionale di Ottica. «Хоча обертання, як правило, дуже малі і зазвичай не контролюються, здатність зафіксувати їх забезпечить більш повне розуміння внутрішньої динаміки Землі та джерел сейсмічних хвиль».

Їх новий датчик обертання, заснований на волоконно-оптичному гіроскопі довжиною 2 км, безперервно записував дані протягом п’яти місяців і успішно виявляв шум і обертання землі від невеликих до середніх місцевих землетрусів. Дослідники опублікували попередні дані спостережень датчика в журналі Optica Publishing Group Applied Optics.

Розгортання датчиків у Неаполі

Неаполь, де проживає приблизно 3 мільйони людей і три діючі вулкани, оснащений мережею багатопараметричних датчиків, яка охоплює все місто. Ці датчики контролюють різні фізичні та хімічні параметри для вивчення сейсмічної та вулканічної активності в реальному часі.

«Вимірювання обертання землі додасть ще одну плитку до цієї складної мозаїки датчиків», — заявив Данило Галуццо з Національного інституту геофізики та вулканології. «Ця додаткова інформація також допоможе у всебічному розумінні сигналів вулканічних землетрусів, які мають вирішальне значення для виявлення будь-яких змін у динаміці вулканів».

Вимірювання обертального руху

Гіроскопи – це пристрої, які використовуються для виявлення та вимірювання змін орієнтації або кутової швидкості – швидкості, з якою об’єкт обертається. Наприклад, у смартфонах прості гіроскопи визначають і вимірюють орієнтацію та обертання пристрою. Щоб виміряти обертання в сейсмічних хвилях від землетрусу або вулканічної активності, дослідники розробили більш складний гіроскоп на основі ефекту Саньяка.

Ефект Саньяка виникає, коли світло, що рухається в протилежних напрямках навколо замкнутого контуру, демонструє різний час проходження. Це призводить до вимірних інтерференційних моделей у світлі, які залежать від швидкості обертання петлі. Вимірюючи інтерференцію світла, можна визначити кутову швидкість з високою роздільною здатністю.

«Наші лабораторії розташовані в центрі активної вулканічної зони, створюючи таким чином природне джерело землетрусів», — сказав Авіно. «Оскільки ми відчуваємо невеликі/середні землетруси майже щодня, ми можемо вимірювати та отримувати велику кількість даних про обертання землі, які можна послідовно аналізувати для вивчення сейсмічних і вулканічних явищ регіону Кампі Флегрей».

Зйомка сейсмічної активності

Дослідники зібрали прототип оптоволоконного датчика обертання за допомогою стандартного лабораторного обладнання та компонентів. Щоб перевірити це, вони ввели світло в 2-кілометровий оптоволоконний кабель, подібний до тих, що використовуються для оптичного телекомунікації. Оптоволоконний кабель утворив петлю, де з’єднані вхід і вихід, утворюючи безперервний світловий шлях без розривів, і був точно намотаний навколо алюмінієвої котушки діаметром 25 см, щоб утворити котушку.

Під час експериментів оптичний датчик зберігається в контрольованому лабораторному середовищі в будівлі, яка розташована на вершині кальдери вулкана – великої западини, яка утворюється під час виверження та руйнування вулкана. «Ця перша версія системи продемонструвала роздільну здатність, яку можна порівняти з іншими сучасними волоконно-оптичними гіроскопами», — сказала перший автор статті Маріалуїза Капеццуто, яка працює з CNR-INO і працювала над експериментальним пристроєм. «Він також мав дуже хороший робочий цикл — відсоток часу, протягом якого прилад вимірював/збирав дані, — що дозволило нам безперервно працювати з системою близько п’яти місяців».

«Прототип гіроскопа може вимірювати лише одну з трьох спрямованих складових обертального руху. Однак поєднання трьох однакових гіроскопів, кожен з яких орієнтований на окрему вісь обертання, може бути використано для захоплення всіх трьох компонентів», — сказав Луїджі Сантамарія Амато з Італійського космічного агентства (ASI). Як тільки дослідники покращать роздільну здатність і стабільність одноосьової системи, вони планують створити тривісний гіроскоп. Згодом вони хочуть створити постійну обсерваторію обертання землі в районі Кампі Флегрей.