Un nouveau gyroscope à fibre optique développé pour la région volcanique des Campi Flegrei à Naples a montré son potentiel pour améliorer la surveillance des tremblements de terre en détectant les rotations du sol. Ce système, testé pendant plusieurs mois, pourrait fournir des données cruciales pour les systèmes d'alerte précoce et l'évaluation des risques dans les zones volcaniques sismiquement actives. Crédit : Issues.fr.com
Des chercheurs ont développé un prototype de gyroscope à fibre optique pour surveiller les rotations du sol lors des tremblements de terre aux Campi Flegrei, à Naples. Ce système de capteurs avancé, capturant les mouvements de rotation et linéaires, pourrait conduire à de meilleures évaluations des risques et à de meilleurs systèmes d'alerte précoce dans cette région volcanique.
« Lorsque l'activité sismique se produit, la surface de la Terre subit des mouvements à la fois linéaires et rotationnels », a déclaré Saverio Avino, chef de l'équipe de recherche du Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto Nazionale di Ottica. « Bien que les rotations soient généralement très petites et ne soient généralement pas surveillées, la capacité de les capturer permettrait une compréhension plus complète de la dynamique interne de la Terre et des sources sismiques. »
Leur nouveau capteur de rotation, basé sur un gyroscope à fibre optique de 2 km de long, a enregistré des données en continu pendant cinq mois et a réussi à détecter le bruit et les rotations du sol lors de tremblements de terre locaux de petite à moyenne taille. Les chercheurs ont publié les données d'observation préliminaires du capteur dans la revue Optica Publishing Group. Optique appliquée.
Les chercheurs ont construit un prototype de gyroscope à fibre optique (photo) pour surveiller en temps réel et à haute résolution les rotations du sol provoquées par des tremblements de terre dans une zone volcanique active. Les fibres sont enroulées avec précision autour d'une bobine d'aluminium pour former un gyroscope basé sur l'effet Sagnac. Crédit : Saverio Avino, CNR-INO
Déploiement de capteurs à Naples
Naples, qui abrite environ 3 millions d'habitants et trois volcans actifs, est équipée d'un réseau de capteurs multiparamétriques qui couvre toute la ville. Ces capteurs surveillent divers paramètres physiques et chimiques pour étudier l'activité sismique et volcanique en temps réel.
« La mesure des rotations du sol ajoutera une autre tuile à cette mosaïque complexe de capteurs », a déclaré Danilo Galuzzo de l'Institut national de géophysique et de volcanologie. « Ces informations supplémentaires contribueront également à une compréhension globale des signaux de tremblements de terre volcaniques, qui sont cruciaux pour détecter tout changement dans la dynamique des volcans. »
Le gyroscope à fibre optique a capturé des tremblements de terre petits à moyens, y compris cet essaim de tremblements de terre, dans la zone volcanique des Campi Flegrei à Naples, en Italie. Crédit : Saverio Avino, CNR-INO
Mesurer le mouvement de rotation
Les gyroscopes sont des appareils utilisés pour détecter et mesurer les changements d'orientation ou de vitesse angulaire – la vitesse à laquelle un objet tourne. Par exemple, dans les smartphones, de simples gyroscopes détectent et mesurent l'orientation et la rotation de l'appareil. Pour mesurer la rotation des ondes sismiques provoquées par un tremblement de terre ou une activité volcanique, les chercheurs ont développé un gyroscope plus complexe basé sur l'effet Sagnac.
L'effet Sagnac se produit lorsque la lumière se déplaçant dans des directions opposées autour d'une boucle fermée présente des temps de trajet différents. Cela conduit à des modèles d'interférence mesurables dans la lumière qui dépendent de la vitesse de rotation de la boucle. En mesurant l'interférence lumineuse, la vitesse angulaire peut être détectée avec une haute résolution.
Carte de la zone volcanique des Campi Flegrei avec les stations sismiques du réseau de surveillance (triangles bleus) et le gyroscope à fibre optique (cercle orange) et quelques événements sismiques enregistrés (cercles rouges). Crédit : Saverio Avino, CNR-INO
« Nos laboratoires sont situés au cœur d'une zone volcanique active, créant ainsi une source naturelle de tremblements de terre », a déclaré Avino. « Comme nous sommes confrontés presque quotidiennement à des tremblements de terre de petite et moyenne taille, nous pouvons mesurer et acquérir un grand nombre de données sur la rotation du sol, qui peuvent être successivement analysées pour étudier les phénomènes sismiques et volcaniques de la région des Champs Flegrei. »
Capturer l'activité sismique
Les chercheurs ont assemblé un prototype de capteur de rotation à fibre optique à l’aide d’instruments et de composants standard de laboratoire. Pour le tester, ils ont injecté de la lumière dans un câble à fibre optique de 2 kilomètres de long, similaire à ceux utilisés pour les télécommunications optiques. Le câble à fibre optique formait une boucle où l'entrée et la sortie sont connectées, créant un chemin lumineux continu sans interruption, et a été enroulé avec précision autour d'une bobine d'aluminium d'un diamètre de 25 cm pour former une bobine.
Les laboratoires du Consiglio Nazionale delle Ricerche sont représentés au pied du volcan tranquille de Monte Gauro. Crédit : Saverio Avino, CNR-INO
Pendant les expériences, le capteur optique est conservé dans un environnement de laboratoire contrôlé dans un bâtiment situé au sommet d’une caldeira volcanique – une grande dépression formée lorsqu’un volcan entre en éruption et s’effondre. « Cette première version du système a montré une résolution comparable à celle d'autres gyroscopes à fibre optique de pointe », a déclaré la première auteure de l'article, Marialuisa Capezzuto, du CNR-INO et qui a travaillé sur l'appareil expérimental. « Il présentait également un très bon cycle de service (le pourcentage de temps pendant lequel l'instrument mesure/acquiert des données), ce qui nous a permis de faire fonctionner le système en continu pendant environ cinq mois. »
« Le prototype de gyroscope ne peut mesurer qu’une des trois composantes directionnelles du mouvement de rotation. Cependant, la combinaison de trois gyroscopes identiques, chacun orienté pour capturer un axe de rotation différent, pourrait être utilisée pour capturer les trois composants », a déclaré Luigi Santamaria Amato de l'Agence spatiale italienne (ASI). Une fois que les chercheurs auront amélioré la résolution et la stabilité du système mono-axe, ils envisagent de mettre en place un gyroscope à trois axes. A terme, ils souhaitent créer un observatoire permanent de rotation au sol dans la zone des Campi Flegrei.
