"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 (CNR-INO) en Italie. "Bien que les rotations soient généralement très petites et ne soient généralement pas surveillées, la capacité de les capturer fournirait une compréhension plus complète de la dynamique interne de la Terre et des sources sismiques."

Dans la revue Optique appliquée , les chercheurs rapportent des données d'observation préliminaires du capteur de rotation, basé sur un gyroscope à fibre optique de 2 km de long. Le capteur a bien fonctionné tout en enregistrant des données en continu pendant cinq mois et a été capable de détecter le bruit et les rotations du sol lors de tremblements de terre locaux de petite à moyenne taille.

La ville métropolitaine de Naples compte environ 3 millions d'habitants et compte trois volcans actifs. L'ensemble de la zone est couvert par une grille de capteurs multiparamétriques qui assurent une surveillance en temps réel de divers paramètres physiques et chimiques utilisés pour étudier l'activité sismique et volcanique.

"La mesure des rotations du sol ajoutera une autre tuile à cette mosaïque complexe de capteurs", a déclaré Danilo Galuzzo, membre de l'équipe de recherche de l'Institut national de géophysique et de volcanologie (INGV).

"Ces informations supplémentaires aideront également à une compréhension globale des signaux de tremblements de terre volcaniques, qui sont cruciaux pour détecter tout changement dans la dynamique des volcans."

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.

"Nos laboratoires sont situés au cœur d'une zone volcanique active, créant ainsi une source naturelle de tremblements de terre", a expliqué Avino. "Comme nous subissons presque quotidiennement des tremblements de terre de petite et moyenne taille, nous pouvons mesurer et acquérir un grand nombre de données sur les rotations du sol, qui peuvent être successivement analysées pour étudier les phénomènes sismiques et volcaniques de la région des Campi 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 de lumière 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.

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 utilisé pour capturer les trois composantes", 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.