Записване на първите ежедневни измервания на изместването на ротацията на Земята

Изследователи от Техническия университет в Мюнхен (TUM) успяха да измерят въртенето на Земята по-точно от всякога. Пръстеновият лазер в Геодезическата обсерватория Wettzell вече може да се използва за улавяне на данни с безпрецедентно ниво на качество навсякъде по света. Измерванията ще се използват за определяне на позицията на Земята в космоса, ще бъдат от полза за климатичните изследвания и ще направят климатичните модели по-надеждни.

Бихте ли искали да направите крачка бързо надолу и да видите колко бързо се върти Земята през последните няколко часа? Вече можете в Геодезическата обсерватория Wettzell. Изследователите на TUM са подобрили пръстеновидния лазер там, така че да може да предоставя ежедневни текущи данни, което все още не е възможно при сравними нива на качество.

Какво точно измерва пръстеновидният лазер? По време на своето пътуване през космоса Земята се върти около оста си с леко различни скорости. Освен това оста, около която се върти планетата, не е напълно фиксирана, тя леко се колебае. Това е така, защото нашата планета не е напълно твърда, а се състои от различни части, някои твърди и някои течни. Следователно самата вътрешност на Земята е в постоянно движение. Тези промени в масата ускоряват или забавят въртенето на планетата, разлики, които могат да бъдат открити с помощта на измервателни системи като пръстеновидния лазер TUM.

„Колебанията в циркулацията са важни не само за астрономията, но също така спешно се нуждаем от тях, за да създадем точни климатични модели и да разберем по-добре метеорологичните явления като Ел Ниньо“, казва професор Улрих Шрайбер. „Колкото по-точни са данните, толкова по-точни са прогнозите“, казва професор Улрих Шрайбер. са.” , който ръководи проекта в обсерваторията TUM.

Ревизирани сензори и коригиращ алгоритъм

Когато фиксира пръстеновидната лазерна система, екипът даде приоритет на намирането на добър баланс между размер и механична стабилност, тъй като колкото по-голямо е такова устройство, толкова по-чувствителни могат да бъдат направени измерванията. Размерът обаче означава компромиси по отношение на стабилността и следователно точността.

Друго предизвикателство беше симетрията между двата противоположни лазерни лъча, което е сърцето на системата на Wetzel. Точно измерване може да се направи само когато вълновите форми на двата противоположно разпространяващи се лазерни лъча са почти идентични. Дизайнът на устройството обаче означава, че винаги е налице известно количество асиметрия.

През последните четири години учените по геодезия са използвали теоретичен модел на лазерни трептения, за да уловят успешно тези систематични ефекти до такава степен, че да могат да бъдат точно изчислени за дълъг период от време и по този начин да бъдат елиминирани от измерванията.

Измерванията на устройството са станали значително по-точни

Устройството може да използва този нов коригиращ алгоритъм за измерване на въртенето на Земята с точност до 9 знака след десетичната запетая, еквивалентно на част от милисекунда на ден. За лазерите това се равнява на несигурност, започваща едва от 20-ия знак след десетичната запетая на честотата на светлината и стабилна за няколко месеца.

Като цяло, наблюдаваните колебания нагоре и надолу достигнаха стойности до 6 ms за приблизително 2 седмици.

Подобренията в лазерите направиха интервалите на измерване много по-кратки. Новоразработеният софтуер за корекции позволява на екипа да улавя текущи данни на всеки три часа.

„В науките за Земята такива високи нива на времева разделителна способност са напълно нови за автономните пръстеновидни лазери“, казва Урс Хугентоблер, професор по сателитна геодезия в TUM. „За разлика от други системи, лазерът работи напълно автономно и не изисква референтни точки в космоса. .” Традиционно тези референтни точки се създават чрез наблюдение на звездите или използване на сателитни данни. Но ние сме независими от подобни неща и сме много педантични.”

Данните, получени независимо от наблюдението на звездите, могат да помогнат за идентифицирането и компенсирането на системни грешки в други методи на измерване. Използването на различни методи помага да се направи работата особено прецизна, особено когато изискванията за точност са високи, какъвто е случаят с пръстеновидните лазери. В бъдеще се планират допълнителни подобрения на системата, които ще позволят по-кратки периоди на измерване.

Пръстеновите лазери измерват интерференцията между два лазерни лъча

Пръстеновите лазери се състоят от затворен квадратен път на лъча с четири огледала, изцяло заобиколени от специфичен обект, наричан резонатор. Това предотвратява промяната на дължината на пътя поради температурни колебания. Газовата смес хелий/неон вътре в резонатора позволява да бъдат възбудени два лазерни лъча, единият по посока на часовниковата стрелка, а другият обратно на часовниковата стрелка.

Без движението на Земята светлината би изминала едно и също разстояние в двете посоки. Но тъй като устройството се движи със Земята, разстоянието на един от лазерните лъчи е по-малко, тъй като въртенето на Земята доближава огледалата до лъча. В обратната посока светлината изминава по-голямо разстояние.

Този ефект създава разлика в честотите на двете светлинни вълни, чието наслагване генерира ритмичен тон, който може да бъде измерен много точно. Колкото по-бързо се върти Земята, толкова по-голяма е разликата между двете оптични честоти. На екватора Земята се завърта на 15 градуса на изток на всеки час. Това създава 348,5 Hz сигнал в TUM. Колебанията в продължителността на деня се появяват при стойности, вариращи от 1 до 3 милионни от херца (1-3 микроHz).

Всяка страна на лазерния пръстен в сутерена на обсерваторията във Wettzell е дълга четири метра. След това тази конструкция се монтира върху солидна бетонна колона, лежаща върху твърдата основа на земната кора на дълбочина около шест метра. Това гарантира, че въртенето на Земята е единственият фактор, който влияе на лазерните лъчи и изключва други фактори на околната среда.

Конструкцията е защитена от камера под налягане, която компенсира промените във въздушното налягане или необходимата температура от 12°C и автоматично компенсира тези промени. За да се намалят тези влиятелни фактори, лабораторията е разположена на пет метра дълбочина под изкуствен хълм. Разработването на системата за измерване отне близо 20 години изследвания.

Проучването е публикувани В списанието Природна фотоника.