Bezprecedensowe codzienne pomiary przedstawiają obrót Ziemi

Naukowcy osiągnęli przełom w pomiarach obrotu Ziemi z niespotykaną dotąd dokładnością, korzystając z zaawansowanego lasera pierścieniowego w Obserwatorium Geodezyjnym Wetzel. Ta udoskonalona technologia umożliwia rejestrowanie wysokiej jakości codziennych danych, które są niezbędne do określania pozycji Ziemi w przestrzeni kosmicznej oraz udoskonalania badań i modeli klimatycznych. (Ilustracja artystyczna przedstawiająca użycie laserów do pomiaru obrotu Ziemi.)

Naukowcy z Politechniki Monachium (TUM) poczynili ogromne postępy w pomiarach obrotu Ziemi z niespotykaną dotąd dokładnością. Laser pierścieniowy w Obserwatorium Geodezyjnym Wettzell może być teraz używany do rejestrowania danych na niespotykanym dotąd poziomie jakości w dowolnym miejscu na świecie. Pomiary te mają kluczowe znaczenie dla określenia położenia Ziemi w przestrzeni kosmicznej, wspomagania badań nad klimatem i zwiększania wiarygodności modeli klimatycznych.

Zaawansowana technologia lasera pierścieniowego

Czy chciałbyś szybko zejść na dół i zobaczyć, jak szybko obracała się Ziemia w ciągu ostatnich kilku godzin? Można to teraz zrobić w Obserwatorium Geodezyjnym Wettzell. Badacze z TUM udoskonalili tam laser pierścieniowy, tak aby mógł codziennie dostarczać aktualne dane, co nie było jeszcze możliwe przy porównywalnym poziomie jakości.

Co dokładnie mierzy laser pierścieniowy? Podczas swojej podróży w przestrzeni Ziemia obraca się wokół własnej osi z nieznacznie zmieniającymi się prędkościami. Ponadto oś, wokół której obraca się planeta, nie jest całkowicie stała, nieznacznie oscyluje. Dzieje się tak dlatego, że nasza planeta nie jest całkowicie stała, ale składa się z różnych części, części stałych i części płynnych. Zatem wnętrze samej Ziemi jest w ciągłym ruchu. Te zmiany masy przyspieszają lub spowalniają obrót planety, a różnice można wykryć za pomocą systemów pomiarowych, takich jak laser pierścieniowy TUM.

Laser pierścieniowy firmy Wettzell był stale udoskonalany od chwili jego powstania. Źródło: Astrid Eckert/Tom

„Wahania w cyrkulacji są ważne nie tylko dla astronomii, ale także pilnie ich potrzebujemy, aby stworzyć dokładne modele klimatyczne i lepiej zrozumieć zjawiska pogodowe, takie jak El Niño. Im dokładniejsze dane, tym dokładniejsze będą dane” – mówi profesor Ulrich Schreiber , który kierował projektem w Obserwatorium TUM.Wzrosła trafność prognoz.

Ulepszenia techniczne i wyzwania

Podczas naprawy systemu lasera pierścieniowego zespół postawił sobie za priorytet znalezienie właściwej równowagi między rozmiarem a stabilnością mechaniczną, ponieważ im większe jest to urządzenie, tym czulsze mogą być pomiary. Jednak rozmiar oznacza kompromis w zakresie stabilności, a tym samym dokładności.

Kolejnym wyzwaniem była symetria pomiędzy dwoma przeciwstawnymi wiązkami laserowymi, co stanowi serce systemu Wetzela. Dokładny pomiar można wykonać tylko wtedy, gdy kształty fali dwóch przeciwbieżnych wiązek lasera są prawie identyczne. Jednakże konstrukcja urządzenia oznacza, że ​​zawsze występuje pewna ilość asymetrii. W ciągu ostatnich czterech lat naukowcy zajmujący się geodezją wykorzystali teoretyczny model oscylacji lasera, aby z powodzeniem uchwycić te systematyczne efekty do tego stopnia, że ​​można je dokładnie obliczyć w długim okresie czasu, a tym samym można je wyeliminować z pomiarów.

Poprawiona dokładność i zastosowania

Urządzenie może wykorzystywać nowy algorytm korekcyjny do pomiaru obrotu Ziemi z dokładnością do 9 miejsc po przecinku, co odpowiada ułamkowi milisekundy dziennie. W przypadku laserów oznacza to niepewność rozpoczynającą się już od 20. miejsca po przecinku częstotliwości światła i utrzymującą się przez kilka miesięcy. Ogólnie obserwowane wahania w górę i w dół osiągały wartości do 6 ms w okresie około 2 tygodni.

Ulepszenia laserów spowodowały, że odstępy między pomiarami są obecnie znacznie krótsze. Nowo opracowane oprogramowanie poprawkowe umożliwia zespołowi przechwytywanie bieżących danych co trzy godziny. „W naukach o Ziemi tak wysoki poziom rozdzielczości czasowej jest czymś zupełnie nowym w przypadku autonomicznych laserów pierścieniowych” – mówi Urs Hugentobler, profesor geodezji satelitarnej na TUM. „W przeciwieństwie do innych systemów, laser działa całkowicie autonomicznie i nie wymaga punktów odniesienia w W konwencjonalnych systemach „Te punkty odniesienia tworzone są poprzez obserwację gwiazd lub wykorzystanie danych satelitarnych. Ale jesteśmy od tego niezależni i również bardzo dokładni. Dane zebrane niezależnie od obserwacji gwiazd mogą pomóc w identyfikacji i kompensacji błędów systematycznych w innych metody pomiarowe.” Korzystanie z różnorodnych metod pomaga uczynić pracę szczególnie dokładną, szczególnie gdy Dokładność Wymagania są wysokie, podobnie jak w przypadku laserów pierścieniowych. Planowane są dalsze ulepszenia systemu, które pozwolą w przyszłości na krótsze okresy pomiarowe.

Zrozumienie laserów pierścieniowych

Lasery pierścieniowe składają się z zamkniętej kwadratowej ścieżki wiązki z czterema zwierciadłami całkowicie otoczonymi korpusem ze szkła ceramicznego typu Ceran, zwanym rezonatorem. Zapobiega to zmianie długości ścieżki na skutek wahań temperatury. Mieszanka helu i neonu wewnątrz rezonatora umożliwia wzbudzenie dwóch wiązek lasera, jednej zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a drugiej w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Bez ruchu Ziemi światło przemieszczałoby się na tę samą odległość w obu kierunkach. Ponieważ jednak urządzenie porusza się wraz z Ziemią, odległość jednej z wiązek lasera jest mniejsza, ponieważ obrót Ziemi przybliża zwierciadła do wiązki. W przeciwnym kierunku światło pokonuje podobną większą odległość. Efekt ten powoduje różnicę w częstotliwościach dwóch fal świetlnych, których nałożenie generuje rytmiczny ton, który można bardzo precyzyjnie zmierzyć. Im szybciej Ziemia się obraca, tym większa jest różnica między dwiema częstotliwościami optycznymi. Na równiku Ziemia obraca się co godzinę pod kątem 15 stopni na wschód. Tworzy to sygnał o częstotliwości 348,5 Hz w TUM. Wahania długości dnia są rzędu od 1 do 3 milionowych herca (1–3 mikroHz).

Solidna i precyzyjna infrastruktura

Każda strona pierścienia laserowego w podziemiach obserwatorium w Wettzell ma cztery metry długości. Konstrukcja ta jest następnie instalowana na solidnej betonowej kolumnie spoczywającej na solidnej podstawie skorupy ziemskiej na głębokości około sześciu metrów. Zapewnia to, że obrót Ziemi jest jedynym czynnikiem wpływającym na wiązki laserowe i wyklucza inne czynniki środowiskowe. Konstrukcja zabezpieczona jest komorą ciśnieniową, która automatycznie kompensuje zmiany ciśnienia powietrza lub wymaganej temperatury 12°C. Aby zredukować te czynniki, laboratorium znajduje się na głębokości pięciu metrów pod sztucznym wzgórzem. Opracowanie systemu pomiarowego zajęło prawie 20 lat prac badawczych.

Literatura: „Zmiany prędkości obrotowej Ziemi mierzone interferometrem lasera pierścieniowego” K. Ulrich Schreiber, Jan Coudet, Urs Hugentobler, Thomas Klügel i John Paul R. Walia, 18 września 2023, Fotonika przyrody.
doi: 10.1038/s41566-023-01286-x