Το γυροσκόπιο λέιζερ μετρά μικροσκοπικές διακυμάνσεις στην περιστροφή της Γης – Physics World

Μετά από 30 χρόνια επίπονης ανάπτυξης, ερευνητές στη Γερμανία και τη Νέα Ζηλανδία παρουσίασαν ένα γυροσκόπιο λέιζερ που μπορεί να παρακολουθεί τις διακυμάνσεις στην περιστροφή της Γης σε σχεδόν πραγματικό χρόνο και με ακρίβεια σε αρκετά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Η τεχνική είναι πολύ απλούστερη από τις τρέχουσες μεθόδους και θα μπορούσε να παρέχει περαιτέρω πληροφορίες για φαινόμενα που προκαλούν τις διακυμάνσεις - όπως μετατοπίσεις στα ωκεάνια ρεύματα.

Η Γη περιστρέφεται μία φορά τη μέρα, αλλά υπάρχουν μικροσκοπικές διακυμάνσεις στον ρυθμό και την κατεύθυνση της περιστροφής του πλανήτη μας. Μερικές από αυτές τις διακυμάνσεις είναι καλά κατανοητές – για παράδειγμα αυτές που προκαλούνται από τις παλιρροϊκές δυνάμεις της Σελήνης και του Ήλιου.

Άλλες μικροσκοπικές διακυμάνσεις δεν είναι καλά κατανοητές, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που σχετίζονται με την ανταλλαγή ορμής μεταξύ της στερεάς Γης και των ωκεανών, της ατμόσφαιρας και των στρωμάτων πάγου. Αυτά τα φαινόμενα μπορεί να προκύψουν από κλιματικά γεγονότα όπως η νότια ταλάντωση του Ελ Νίνιο, που αλλάζει τα ωκεάνια ρεύματα. Ως αποτέλεσμα, η μέτρηση των διακυμάνσεων στην περιστροφή της Γης θα μπορούσε να ρίξει φως σε σημαντικές διεργασίες στην ατμόσφαιρα.

Συνδυασμένες μετρήσεις

Οι περισσότερες μελέτες περιστροφής περιλαμβάνουν συνδυασμό δεδομένων από παγκόσμια συστήματα δορυφορικής πλοήγησης. πολύ μεγάλες βασικές παρατηρήσεις ραδιοαστρονομίας κβάζαρ. και εύρος λέιζερ. Λόγω της πολυπλοκότητας του συνδυασμού αυτών των τεχνικών, μπορεί να γίνει μόνο μία μέτρηση την ημέρα.

Τώρα, μια ομάδα με επικεφαλής Ούλριχ Σράιμπερ στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου δημιούργησε ένα γυροσκόπιο λέιζερ που μπορεί να μετρήσει τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, το όργανό τους μπορεί να χωρέσει σε ένα μεγάλο δωμάτιο.

Στην καρδιά του υπάρχει μια οπτική κοιλότητα που οδηγεί το φως γύρω από ένα τετράγωνο μονοπάτι μήκους 16 μέτρων. Ένα ζεύγος ακτίνων λέιζερ στέλνονται γύρω από την κοιλότητα σε αντίθετες κατευθύνσεις δημιουργώντας ένα δακτυλιοειδές γυροσκόπιο λέιζερ. Αυτό λειτουργεί με βάση την αρχή ότι μια περιστροφή του γυροσκόπιου επηρεάζει το μοτίβο παρεμβολής που δημιουργείται όταν οι δύο δέσμες συνδυάζονται σε έναν ανιχνευτή. Τέτοια γυροσκόπια χρησιμοποιούνται σε συστήματα αδρανειακής πλοήγησης σε ορισμένα αεροσκάφη και υποβρύχια.

Υπόγειο εργαστήριο

«Σε αντίθεση με άλλες τεχνικές [για τη μέτρηση της περιστροφής της Γης], το λέιζερ δακτυλίου μας είναι αυτόνομο και μπορεί να χωρέσει στο υπόγειο εργαστήριό μας, επιτρέποντάς μας να διαβάζουμε στιγμιαία την περιστροφή της Γης σχεδόν σε πραγματικό χρόνο», εξηγεί ο Schreiber. «Τώρα, μετά από 30 χρόνια πειραματικής προσπάθειας, καταφέραμε να ανακτήσουμε το σήμα ενδιαφέροντος».

Για να φτάσει σε αυτό το σημείο, η ομάδα χρειάστηκε να τελειοποιήσει πέντε βασικές πτυχές της λειτουργίας του γυροσκόπιου λέιζερ. Πρώτον, το όργανο έπρεπε να είναι αρκετά ευαίσθητο για να επιλύει διακυμάνσεις τόσο λεπτές όσο 3 ppb της ταχύτητας περιστροφής της Γης. Στην πραγματικότητα, αυτή ήταν μια από τις πιο εύκολες προκλήσεις που αντιμετώπισαν και θα μπορούσαν να ξεπεραστούν απλά κάνοντας το γυροσκόπιο μήκους 16 μέτρων.

Από εδώ, το έργο της ομάδας έγινε πιο δύσκολο. «Ο αισθητήρας έπρεπε να είναι εξαιρετικά σταθερός», είπε ο Schreiber για τη δεύτερη πρόκληση. «Δεν μπορούμε να του επιτρέψουμε να αναπτύξει μια μετατόπιση, επειδή ακόμη και η παραμικρή έλλειψη σταθερότητας θα παρήγαγε ένα προφανές σήμα, το οποίο θα έπνιγε την προσπάθειά μας εντελώς. Η σταθερότητα ήταν το πιο δύσκολο κομμάτι να επιτευχθεί».

Επεξεργασμένη διόρθωση σφαλμάτων

Το τρίτο καθήκον που αντιμετώπισε η ομάδα ήταν πώς να αντιμετωπίσει τα σφάλματα που εισάγονται από τον ποικίλο προσανατολισμό του περιστροφικού άξονα της Γης. Αυτά αντιμετωπίστηκαν χρησιμοποιώντας μια περίπλοκη μέθοδο διόρθωσης σφαλμάτων.

«Το επόμενο πρόβλημα είναι ότι έχουμε μόνο ένα γυροσκοπικό στοιχείο, αλλά τρεις χωρικές κατευθύνσεις», συνεχίζει ο Schreiber. «Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να παρακολουθούμε την κλίση του οργάνου μας στο επίπεδο των 3 Nrad, που είναι μια μικρή, μικροσκοπική γωνία. Μια αλλαγή στον προσανατολισμό προκαλεί την αλλαγή της προβολής του διανύσματος περιστροφής της γης, που δεν είναι τίποτα άλλο από μια μετατόπιση και αυτό είναι ένα ψευδές σήμα».

Τέλος, οι διπλές ακτίνες λέιζερ του γυροσκόπιου δεν λειτουργούν εντελώς ανεξάρτητα η μία από την άλλη. Αυτό σημαίνει ότι οι μετρήσεις του γυροσκόπιου μπορεί να μετατοπιστούν μακροπρόθεσμα. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, η ομάδα έχει ξοδέψει χρόνια αναπτύσσοντας ένα μοντέλο δυναμικής λέιζερ που μπορεί να αναγνωρίσει και να εξαλείψει οποιαδήποτε μετατόπιση στις ενδείξεις του γυροσκόπιου.

Το οπτικό γυροσκόπιο σε ένα τσιπ μπορεί να ανιχνεύσει την περιστροφή της Γης

Τώρα, μετά από δεκαετίες σκληρής δουλειάς, το όργανο της ομάδας ελέγχει και τους πέντε αυτούς παράγοντες ταυτόχρονα – επιτρέποντάς του να παρακολουθεί τον ρυθμό περιστροφής της Γης σε ανάλυση μόλις λίγων χιλιοστών του δευτερολέπτου σε 120 ημέρες.

Έχοντας περάσει αυτό το εντυπωσιακό ορόσημο, η ομάδα του Schreiber είναι πλέον σε θέση να παρακολουθεί τις διακυμάνσεις στη διάρκεια της ημέρας τόσο σε συνεχή όσο και σε πραγματικό χρόνο. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει στην παροχή βαθύτερων γνώσεων για το πώς η στερεά Γη ανταλλάσσει ορμή με τον αέρα, το νερό και τον πάγο στην επιφάνειά της.

Κοιτάζοντας πιο μπροστά, οι ερευνητές στοχεύουν τώρα να επεκτείνουν ακόμη περισσότερο τη σταθερότητα του γυροσκόπιου τους. «Αυτό θα μας επιτρέψει να συλλάβουμε την εποχιακή επίδραση αυτών των μεταγραφών ορμής», λέει ο Schreiber. «Αυτή τη στιγμή, μπορούμε να δούμε μόνο τα προεξέχοντα σήματα με μια περίοδο περίπου 14 ημερών, επομένως έχουμε ακόμη πολλές προκλήσεις μπροστά μας».

Η έρευνα περιγράφεται στο Nature Photonics.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/laser-gyroscope-measures-tiny-fluctuations-in-earths-rotation/