Pierścień laserów mierzy codzienne zmiany prędkości obrotowej Ziemi

| Astronomia/fizyka
Astrid Eckert / TUM

Na Monachijskim Uniwersytecie Technicznym dokonano pierwszych pomiarów dziennych zmian prędkości obrotowej Ziemi. Stało się to możliwe dzięki udoskonaleniu pierścieniowego interferometru laserowego w Geodetic Observatory Wettzel, który rejestruje dane z niespotykaną wcześniej dokładnością. Pomiary te posłużą do dokładnego określenia położenia naszej planety w przestrzeni, co przyniesie korzyści badaniom nad klimatem i  pozwoli na udoskonalenie modeli klimatycznych.

Jak wiemy, Ziemia obraca się wokół osi. Jednak planeta nie jest jednorodnym ciałem stałym, masa nie jest równomiernie rozłożona, niektóre jej części są ciekłe, a inne stałe. Wnętrze Ziemi jest w ciągłym ruchu, przez co zmienia się rozkład masy na planecie. To z kolei prowadzi do pojawienia się zjawiska kołysania Chandlera, w czasie którego oś ziemi minimalnie zmienia swe położenie, co skutkuje zmianami tempa ruchu obrotowego Ziemi. Zmiany w tempie rotacji są ważne nie tylko dla astronomii. Potrzebujemy tego typu pomiarów, by udoskonalić modele klimatyczne i lepiej rozumieć takie zjawiska jak El Niño. A im bardziej precyzyjnymi danymi będziemy dysponowali, tym dokładniejsze będą nasze prognozy, mówi kierujący badaniami profesor Ulrich Schreiber.

Naukowcy udoskonalając Geodetic Observatory Wettzel musieli znaleźć równowagę pomiędzy rozmiarami, a stabilnością. Im większy interferometr, tym dokładniejszy pomiar, jednak wraz ze wzrostem wielkości pojawiają się coraz większe problemy ze stabilnością, a to niekorzystnie wpływa na dokładność pomiaru. Innym wyzwaniem było zapewnienie symetrii pomiędzy dwoma przeciwstawnymi promieniami laserowymi. Dokładne pomiary są możliwe, jeśli propagacja fal obu laserów jest niemal identyczna. Jednak sam projekt urządzenia powoduje, że zawsze będzie istniała pewna asymetria pomiędzy promieniami. Dlatego przez cztery ostatnie lata uczeni wykorzystywali specjalny model teoretyczny, dzięki któremu wychwytywali asymetrie i uczyli się je eliminować ze swoich pomiarów.

Wysiłek się opłacił. Udoskonalony interferometr pozwala na wykonywanie pomiarów z dokładnością do 9 miejsc po przecinku – co przekłada się na ułamki milisekundy na dobę – co trzy godziny. Uzyskanie takiej rozdzielczości dla samodzielnego pierścienia laserów to nowość. W przeciwieństwie do innych systemów pomiarowych nasze urządzenie działa całkowicie niezależnie i nie wymaga punktu odniesienia w przestrzeni. Systemy konwencjonalne korzystają z gwiazd lub pomiarów satelitarnych. My jesteśmy od nich niezależni i jednocześnie dostarczamy niezwykle dokładnych danych, wyjaśnia profesor Urs Hugentobler.

Urządzenie wykorzystywane do pomiarów, pierścieniowy interferometr laserowy, składa się z laserów i czterech luster zamkniętych w rezonatorze. Chroni on całość przez zmianami długości spowodowanymi fluktuacjami temperatury. Wewnątrz znajduje się mieszanina helu i neonu, która wzbudza dwa biegnące w przeciwnych kierunkach promienie laserowe. Gdyby Ziemia się nie poruszała, oba promienia przebywałyby taką samą drogę. Jednak się porusza, co oznacza, że jeden z promieni lasera musi gonić oddalające się lustra, a do drugiego lustra się przybliżają. Promienie przebywają więc między lustrami drogę o różnej długości. Wywołuje to różnice w częstotliwości promieni, a z superpozycję tej różnicy można bardzo dokładnie mierzyć. Im większa prędkość obrotowa Ziemi, tym większa różnica w częstotliwości. Na równiku Ziemia obraca się z prędkością 15 stopni na godzinę. W pierścieniu laserów generuje to sygnał o częstotliwości 348,5 Hz, a dziennie zmiany prędkości objawiają się zmianami tej wartości o 1–3 mikroherców.

Każdy z boków pierścienia laserów ma długość 4 metrów. Konstrukcja przymocowana jest do betonowego słupa, który spoczywa na skalnym podłożu znajdującym się sześć metrów niżej. TO daje pewność, że na promienie lasera wpływa wyłącznie ruch obrotowy Ziemi. Całość zaś znajduje się w pomieszczeniu o kontrolowanym ciśnieniu i temperaturze, a samo laboratorium umieszczono pod sztucznym wzgórzem na głębokości 5 metrów.

Autor:

Źródło: Technischen Universität München

Pierścień laserów mierzy codzienne zmiany prędkości obrotowej Ziemi