Lasergyroskop måler små udsving i Jordens rotation – Physics World

Lasergyroskop måler små udsving i Jordens rotation – Physics World

Tidsstempel: 6. oktober 2023 kl. 12

Ringlaser
Kælderring: lasergyroskopet. (Med høflighed: K Ulrich Schreiber et al/Nature Photonics)

Efter 30 års omhyggelig udvikling har forskere i Tyskland og New Zealand afsløret et lasergyroskop, der kan spore udsving i Jordens rotation i næsten realtid og nøjagtigt til flere millisekunder. Teknikken er meget enklere end nuværende metoder og kan give yderligere indsigt i fænomener, der forårsager udsvingene - såsom forskydninger i havstrømmene.

Jorden roterer én gang på én dag, men der er små udsving i hastigheden og retningen af ​​vores planets rotation. Nogle af disse udsving er velforståede – for eksempel dem, der er forårsaget af Månens og Solens tidevandskræfter.

Andre små udsving er ikke godt forstået, herunder dem, der er relateret til udvekslingen af ​​momentum mellem den faste Jord og oceanerne, atmosfæren og iskapperne. Disse effekter kan opstå fra klimabegivenheder såsom El Niños sydlige oscillation, som ændrer havstrømmene. Som følge heraf kunne måling af udsving i Jordens rotation kaste lys over vigtige processer i atmosfæren.

Kombinerede mål

De fleste rotationsundersøgelser involverer kombination af data fra globale satellitnavigationssystemer; meget lange basislinje radio-astronomi observationer af kvasarer; og laserafstandsmåling. På grund af kompleksiteten ved at kombinere disse teknikker, kan der kun foretages én måling om dagen.

Nu er et hold ledet af Ulrich Schreiber på det tekniske universitet i München har skabt et lasergyroskop, der kan måle de små udsving i næsten realtid. Hvad mere er, kan deres instrument passe ind i et stort rum.

I hjertet er et optisk hulrum, der leder lyset rundt i en firkantet bane, der er 16 m lang. Et par laserstråler sendes rundt i hulrummet i modsatte retninger, hvilket skaber et ringlasergyroskop. Dette fungerer ud fra princippet om, at en rotation af gyroskopet påvirker det interferensmønster, der skabes, når de to stråler kombineres ved en detektor. Sådanne gyroskoper bruges i inerti-navigationssystemer ombord i nogle fly og ubåde.

Kælderlaboratorium

"I modsætning til andre teknikker [til måling af Jordens rotation] er vores ringlaser selvstændig og kan passe ind i vores kælderlaboratorium, hvilket giver os mulighed for øjeblikkeligt at læse Jordens rotation næsten i realtid," forklarer Schreiber. "Nu, efter 30 års eksperimenterende indsats, er det lykkedes os at genvinde signalet om interesse."

For at nå dette punkt var holdet nødt til at finjustere fem nøgleaspekter af lasergyroskopets drift. For det første skulle instrumentet være følsomt nok til at løse variationer så subtile som 3 ppb af Jordens rotationshastighed. Faktisk var dette en af ​​de nemmeste udfordringer, de stod over for, og kunne overvindes blot ved at lave gyroskopet 16 m i længden.

Herfra blev holdets opgave kun sværere. "Sensoren skulle være ekstremt stabil," sagde Schreiber om den anden udfordring. "Vi kan ikke tillade, at det udvikler sig, fordi selv den mindste mangel på stabilitet ville generere et tilsyneladende signal, som ville drukne vores indsats fuldstændigt. Stabiliteten har været den sværeste del at opnå.”

Udførlig fejlretning

Den tredje opgave, holdet tog fat på, var, hvordan man håndterer de fejl, der blev introduceret af den varierende orientering af Jordens rotationsakse. Disse blev rettet ved hjælp af en omfattende fejlkorrektionsmetode.

"Det næste problem er, at vi kun har en enkelt gyrokomponent, men tre rumlige retninger," fortsætter Schreiber. "Det betyder, at vi skal spore vores instruments hældning til niveauet 3 nrad, hvilket er en lille bitte vinkel. En ændring i orientering får projektionen af ​​jordrotationsvektoren til at ændre sig, hvilket ikke er andet end en drift, og det er et falsk signal."

Endelig fungerer gyroskopets dobbelte laserstråler ikke helt uafhængigt af hinanden. Det betyder, at gyroskopets målinger kan glide på længere sigt. For at modvirke dette problem har teamet brugt år på at udvikle en laserdynamikmodel, der kan genkende og skrubbe enhver drift i gyroskopets aflæsninger ud.

Nu, efter årtiers hårdt arbejde, styrer holdets instrument alle fem af disse faktorer på samme tid – hvilket gør det muligt at overvåge Jordens rotationshastighed til en opløsning på blot et par millisekunder over 120 dage.

Efter at have passeret denne imponerende milepæl er Schreibers team nu i stand til at spore variationer i dagens længde både kontinuerligt og i realtid. Dette kunne bidrage til at give dybere indsigt i, hvordan den faste Jord udveksler momentum med luft, vandet og isen på dens overflade.

Ser man længere frem, sigter forskerne nu på at udvide deres gyroskops stabilitet endnu mere. "Dette vil gøre os i stand til at fange sæsoneffekten af ​​disse momentumoverførsler," siger Schreiber. "I øjeblikket kan vi kun se på de fremtrædende signaler med en periode på omkring 14 dage, så der er stadig en række udfordringer foran os."

Forskningen er beskrevet i Nature Photonics.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden