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Attraverso un gravimetro atomico, sono state registrate variazioni di gravità innescate da processi vulcanici

Rilevare gli effetti gravimetrici dei processi vulcanici che avvengono nella parte superficiale del sistema di alimentazione dell'Etna, dimostrando che i gravimetri quantici possono fornire dati di alta qualità, anche in condizioni in cui altre tecnologie non potrebbero essere utilizzate.
Questi i risultati raggiunti da uno studio realizzato da iXblue, azienda high-tech, specializzata nei settori della navigazione, della fotonica applicata allo spazio e dell'autonomia marittima, e l'Osservatorio Etneo dell'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV-OE), che, per la prima volta, hanno osservato variazioni di massa subsuperficiale su un vulcano attivo, utilizzando un gravimetro atomico. Lo strumento è stato installato sull'Etna, in Sicilia. I risultati di questo studio sono stati recentemente pubblicati su Geophysical Research Letters, una rivista peer-reviewed dell'American Geophysical Union (AGU).

Nell'ambito del progetto NEWTON-g, finanziato attraverso il programma H2020 dell’Unione Europea, l’Absolute Quantum Gravimeter (AQG), prodotto da iXblue, è stato migliorato per renderlo adatto all’uso in condizioni ambientali sfavorevoli e, successivamente, è stato installato nella zona sommitale attiva dell’Etna per testare le sue potenzialità come strumento per il monitoraggio vulcanico. Da allora, l’AQG ha registrato dati gravimetrici in continuo e, nella loro pubblicazione, iXblue e INGV-OE presentano una serie temporale di circa 4 mesi.
Il gravimetro è stato installato a circa 2,5 km dai crateri attivi dell'Etna e ha registrato dati di alta qualità, nonostante le condizioni ambientali sfavorevoli (mancanza di rete elettrica, forti sbalzi termici, presenza di polvere e gas vulcanici corrosivi) e l’alto livello di tremore vulcanico.

“L'AQG, installato nella zona sommitale dell'Etna, ha fornito una serie temporale gravimetrica di buona qualità e non affetta dei problemi strumentali che interessano altri gravimetri. Anche in condizioni ambientali sfavorevoli, è stato possibile rilevare piccole variazioni di gravità su scale temporali diverse, che riflettono ridistribuzioni di massa profonde legate alla dinamica del vulcano", afferma Daniele Carbone, ricercatore dell’INGV-OE e coautore dell'articolo.

Le variazioni del campo gravitazionale terrestre possono rivelare utili informazioni sulle caratteristiche del sottosuolo: dalla presenza di tunnel e grotte alla dinamica delle acque sotterranee e del magma. L'AQG di iXblue è un sensore quantico, trasportabile e facile da usare, in grado di misurare le variazioni del campo gravitazionale utilizzando una tecnologia nota come interferometria atomica. Utilizzando, come massa campione, una nuvola di atomi di rubidio raffreddati fino allo zero assoluto, l'AQG di iXblue può rilevare minuscole variazioni di gravità.

"Le ridistribuzioni di massa che si verificano sotto la superficie terrestre, ad esempio quando il magma si sposta attraverso il sistema di alimentazione di un vulcano attivo, possono indurre piccoli cambiamenti di gravità nel tempo, che possono essere rilevati dal nostro AQG". spiega Vincent Menoret, R&D Manager presso la divisione iXblue Quantum Sensors e coautore della pubblicazione, aggiungendo che “i recenti progressi nello sviluppo di sensori quantici, ottenuti da iXblue con i suoi partner, hanno permesso lo sviluppo di un gravimetro portatile che ha dimostrato oggi la sua capacità di operare in condizioni anche estreme, rendendo le tecnologie quantistiche una realtà industriale”.

“I risultati confermano le possibilità operative dei gravimetri quantici e aprono nuovi orizzonti per l'applicazione della gravimetria in geofisica. Questo eccezionale risultato è anche la chiara dimostrazione della maturità delle tecnologie basate su atomi freddi. Ci si può aspettare un impatto molto più ampio nel campo dei computer quantistici ad atomi neutri e della comunicazione quantistica a lunga distanza con Quantum Repeater Networks”, conclude Jean Lautier-Gaud, della divisione iXblue Quantum Sensors e coautore della pubblicazione.

Studio:
L. Antoni-Micollier and al., Detecting volcano-related underground mass changes with a quantum gravimeter, Geophysical Research Letters (25 June 2022) / DOI: https://doi.org/10.1029/2022GL097814

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iXblue and the National Institute of Geophysics and Volcanology present the first application of quantum technology to volcano monitoring on Mount Etna

The world’s first detection of gravity changes induced by volcanic processes was performed with a quantum gravimeter, a device which can provide high-quality data, even under conditions where other technologies could not be used.
These results were presented in a study carried out by iXblue, a high-tech company in the fields of navigation, photonics and space, and maritime autonomy, and the Osservatorio Etneo of the Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV-OE). Their work was recently published in Geophysical Research Letters, a peer-reviewed journal of the American Geophysical Union (AGU).

In the frame of the NEWTON-g project, funded through the H2020 program of the European Union, the Absolute Quantum Gravimeter (AQG), manufactured by iXblue, was improved to make it suitable for use in adverse environmental conditions and, in August 2020, it was installed in the summit active area of Mt. Etna, to test its potential as an instrument for volcanic monitoring. Since then, the AQG has performed near-continuous gravity measurements and, in their publication, iXblue and INGV-OE present a four-month time series of gravity data.The gravimeter was installed at about 2.5 km from the active craters of Mt. Etna and produced continuous high-quality data, despite the unfavourable environmental conditions (lack of electricity, severe temperature changes, presence of dust and corrosive volcanic gases) and the high level of volcanic tremor.

“The AQG, installed in the summit crater zone of Mt. Etna, has provided a gravity time series free from the instrumental issues which affect other gravimeters. Even under unfavourable environmental conditions, it has been possible to detect small gravity changes over different time-scales, reflective of volcano-related underground mass changes” says Daniele Carbone, senior researcher at INGV-OE and co-author of the paper.

Variations in the Earth's gravitational field can reveal useful information about what lies underground: from the presence of tunnels and caves to the dynamics of groundwater and even magma. iXblue’s AQG is a turn-key, portable and easy-to-operate quantum sensor, able to measure such variations of the gravity field using a quantum technology known as atomic interferometry. Using a cloud of rubidium atoms laser-cooled close to absolute zero as the test mass, iXblue's AQG can sense minute variations of gravity.

“Mass redistributions occurring below the Earth’s surface, for example when magma is displaced through the feeding system of an active volcano, may induce tiny changes in gravity over time, which can be detected by our AQG” explains Vincent Menoret, R&D Manager at iXblue Quantum Sensors division and co-author of the publication, adding that “recent advances in the development of quantum sensors obtained by iXblue with its partners have allowed the development of a portable gravimeter which has proved today its ability to operate under field conditions, making quantum technologies an industrial reality”.

“The results confirm the operational possibilities of quantum gravimetry and open new horizons for the application of gravity measurements in geophysics. This outstanding achievement is also a clear demonstration of the maturity of cold-atom technologies. One can expect a much broader impact in the field of Quantum Computing with neutral atoms and Long-distance Quantum Communication with Quantum Repeaters” concludes Jean Lautier-Gaud, from IXblue Quantum Sensors division and co-author of the publication.

References:
L. Antoni-Micollier and al., Detecting volcano-related underground mass changes with a quantum gravimeter, Geophysical Research Letters (25 June 2022) / DOI: https://doi.org/10.1029/2022GL097814

 

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Foto 1 - L'Osservatorio INGV Pizzi Deneri presso i crateri attivi dell'Etna dove è stato installato l'AQG (© D. Carbone)
Photo 1 - The INGV Pizzi Deneri Observatory nearby the active craters of Mount Etna, where the AQG was installed (© D. Carbone)

 

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Foto 2 - Immagine dell'AQG davanti ai crateri prima della sua installazione nell'Osservatorio Pizzi Deneri (© iXblue)
Photo 2 - Picture of the AQG in front of the craters prior to its installation in the Pizzi Deneri observatory (© iXblue)