Mata Gempa: Giroskop Pemantau Gunung Berapi Mengungkap Rahasia Seismik

Para peneliti telah mengembangkan prototipe giroskop serat optik untuk memantau rotasi tanah selama gempa bumi di Campi Flegrei, Naples. Sistem sensor canggih ini, yang menangkap pergerakan rotasi dan linier, dapat menghasilkan penilaian risiko dan sistem peringatan dini yang lebih baik di wilayah gunung berapi ini.

“Ketika aktivitas seismik terjadi, permukaan bumi mengalami gerakan linier dan rotasi,” kata ketua tim peneliti Saverio Avino dari Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto Nazionale di Ottica. “Meskipun rotasi umumnya sangat kecil dan biasanya tidak dipantau, kemampuan untuk menangkapnya akan memberikan pemahaman yang lebih lengkap mengenai dinamika inside bumi dan sumber seismik.”

Sensor rotasi baru mereka, berdasarkan giroskop serat optik sepanjang 2 km, mencatat knowledge secara terus menerus selama lima bulan dan berhasil mendeteksi kebisingan dan rotasi tanah dari gempa lokal kecil hingga sedang. Para peneliti mempublikasikan knowledge pengamatan awal dari sensor tersebut di jurnal Optica Publishing Group Optik Terapan.

Para peneliti membangun prototipe giroskop serat optik (gambar) untuk memantau rotasi tanah secara real-time dan beresolusi tinggi yang disebabkan oleh gempa bumi di daerah gunung berapi aktif. Serat-serat tersebut dililitkan secara tepat pada kumparan aluminium untuk membentuk giroskop berdasarkan efek Sagnac. Kredit: Saverio Avino, CNR-INO

Penerapan Sensor di Naples

Napoli, rumah bagi sekitar 3 juta orang dan tiga gunung berapi aktif, dilengkapi dengan jaringan sensor multiparametrik yang mencakup seluruh kota. Sensor ini memantau berbagai parameter fisik dan kimia untuk mempelajari aktivitas seismik dan vulkanik secara real-time.

“Pengukuran rotasi tanah akan menambah ubin lain pada mosaik sensor yang kompleks ini,” kata Danilo Galuzzo dari Institut Nasional Geofisika dan Vulkanologi. “Informasi tambahan ini juga akan membantu pemahaman komprehensif tentang sinyal gempa vulkanik, yang penting untuk mendeteksi perubahan apa pun dalam dinamika gunung berapi.”

Giroskop serat optik menangkap gempa kecil hingga sedang, termasuk gempa segerombolan ini, di kawasan vulkanik Campi Flegrei di Naples, Italia. Kredit: Saverio Avino, CNR-INO

Mengukur Gerakan Rotasi

Giroskop adalah perangkat yang digunakan untuk mendeteksi dan mengukur perubahan orientasi atau kecepatan sudut – kecepatan rotasi suatu benda. Misalnya, di ponsel pintar, giroskop sederhana mendeteksi dan mengukur orientasi dan rotasi perangkat. Untuk mengukur rotasi gelombang seismik akibat gempa bumi atau aktivitas gunung berapi, para peneliti mengembangkan giroskop yang lebih kompleks berdasarkan efek Sagnac.

Efek Sagnac terjadi ketika cahaya yang merambat dalam arah berlawanan di sekitar loop tertutup menunjukkan waktu rambat yang berbeda. Hal ini mengarah pada pola interferensi cahaya yang dapat diukur yang bergantung pada kecepatan putaran loop. Dengan mengukur interferensi cahaya, kecepatan sudut dapat dideteksi dengan resolusi tinggi.

Peta kawasan vulkanik Campi Flegrei dengan stasiun seismik jaringan pemantauan (segitiga biru) dan giroskop serat optik (lingkaran oranye) dan beberapa rekaman kejadian seismik (lingkaran merah). Kredit: Saverio Avino, CNR-INO

“Laboratorium kami terletak di jantung kawasan vulkanik aktif, sehingga menciptakan sumber gempa alami,” kata Avino. “Karena kita mengalami gempa kecil/sedang hampir setiap hari, kita dapat mengukur dan memperoleh sejumlah besar knowledge mengenai rotasi bumi, yang kemudian dapat dianalisis secara berturut-turut untuk mempelajari fenomena seismik dan vulkanik di wilayah Campi Flegrei.”

Menangkap Aktivitas Seismik

Para peneliti merakit prototipe sensor rotasi serat optik menggunakan instrumentasi dan komponen laboratorium standar. Untuk mengujinya, mereka menyuntikkan cahaya ke dalam kabel serat optik sepanjang 2 kilometer, mirip dengan yang digunakan untuk telekomunikasi optik. Kabel fiber tersebut membentuk loop dimana enter dan output dihubungkan, menciptakan jalur cahaya yang berkesinambungan tanpa putus, dan tepat dililitkan pada kumparan alumunium berdiameter 25 cm hingga membentuk kumparan.

Laboratorium Consiglio Nazionale delle Ricerche digambarkan di kaki gunung berapi Monte Gauro yang tenang. Kredit: Saverio Avino, CNR-INO

Selama percobaan, sensor optik disimpan dalam lingkungan laboratorium terkendali di sebuah bangunan yang terletak di atas kaldera gunung berapi – sebuah cekungan besar yang terbentuk ketika gunung berapi meletus dan runtuh. “Versi pertama dari sistem ini menunjukkan resolusi yang sebanding dengan giroskop serat optik canggih lainnya,” kata penulis pertama makalah tersebut, Marialuisa Capezzuto, yang berasal dari CNR-INO dan mengerjakan peralatan eksperimental. “Sistem ini juga memiliki siklus kerja yang sangat baik—persentase waktu instrumen mengukur/memperoleh knowledge—yang memungkinkan kami menjalankan sistem secara terus-menerus selama sekitar lima bulan.”

“Prototipe giroskop hanya dapat mengukur salah satu dari tiga komponen arah gerakan rotasi. Namun, menggabungkan tiga giroskop yang sama, masing-masing berorientasi untuk menangkap sumbu rotasi yang berbeda, dapat digunakan untuk menangkap ketiga komponen tersebut,” kata Luigi Santamaria Amato dari Badan Antariksa Italia (ASI). Setelah para peneliti meningkatkan resolusi dan stabilitas sistem sumbu tunggal, mereka berencana untuk membuat giroskop tiga sumbu. Nantinya, mereka ingin membuat observatorium rotasi bumi permanen di kawasan Campi Flegrei.

Referensi: “Giroskop serat optik untuk pemantauan gerakan tanah seismik rotasi di kawasan vulkanik Campi Flegrei” oleh 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 dan Gianluca Gagliardi, 31 Mei 2024, Optik Terapan.
DOI: doi:10.1364/AO.518354