Um novo giroscópio de fibra óptica desenvolvido para a região vulcânica de Campi Flegrei, em Nápoles, mostrou potencial para melhorar o monitoramento de terremotos, detectando rotações no solo. Este sistema, testado ao longo de vários meses, poderá fornecer dados cruciais para sistemas de alerta precoce e avaliações de risco em áreas vulcânicas sismicamente ativas. Crédito: SciTechDaily.com
Pesquisadores desenvolveram um protótipo de giroscópio de fibra óptica para monitorar as rotações do solo durante terremotos em Campi Flegrei, Nápoles. Este sistema avançado de sensores, que capta movimentos rotacionais e lineares, poderá levar a melhores avaliações de risco e sistemas de alerta precoce nesta região vulcânica.
“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. “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.”
Seu novo sensor rotacional, baseado em um giroscópio de fibra óptica de 2 km de comprimento, registrou dados continuamente durante cinco meses e detectou com sucesso ruídos e rotações do solo de terremotos locais de pequeno a médio porte. Os pesquisadores publicaram os dados observacionais preliminares do sensor na revista Optica Publishing Group Óptica Aplicada.
Os pesquisadores construíram um protótipo de giroscópio de fibra óptica (foto) para monitoramento em tempo real e de alta resolução 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
Implantação de sensores em Nápoles
Nápoles, lar de aproximadamente 3 milhões de pessoas e três vulcões ativos, está equipada com uma rede de sensores multiparamétricos que cobre toda a cidade. Esses sensores monitoram vários parâmetros físicos e químicos para estudar a atividade sísmica e vulcânica em tempo real.
“A medição das rotações do solo vai acrescentar mais uma peça a esse complexo mosaico de sensores”, afirmou Danilo Galuzzo, do Instituto Nacional de Geofísica e Vulcanologia. “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
Medindo 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.
Mapa da área vulcânica Campi Flegrei com estações sísmicas da rede de monitoramento (triângulos azuis) e giroscópio de fibra óptica (círculo laranja) e alguns eventos sísmicos registrados (círculos vermelhos). Crédito: Saverio Avino, CNR-INO
“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.”
Capturando 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. 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.
Os laboratórios do Conselho Nacional de Pesquisa são retratados no sopé do vulcão inativo Monte Gauro. Crédito: Saverio Avino, CNR-INO
Durante os experimentos, o sensor óptico é mantido em um ambiente de laboratório controlado em um prédio 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 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.
Referência: “Giroscópio de fibra óptica para monitoramento do movimento sísmico rotacional do solo da área vulcânica Campi Flegrei” por Paolo De Natale, Danilo Galluzzo, Marialuisa Capezzuto, Antonio Giorgini, Luigi Santamaria Amato, Roberto Manzo, Ezio D’Alema, Saverio Avino, Pietro Malara, Lucia Nardone, Guido Gaudiosi, Davide D’Ambrosio e Gianluca Gagliardi, 31 de maio de 2024, Óptica Aplicada.
DOI: doi:10.1364/AO.518354
