Lasergüroskoop mõõdab väikseid kõikumisi Maa pöörlemises – füüsikamaailm

Pärast 30 aastat kestnud vaevarikast arendustööd on Saksamaa ja Uus-Meremaa teadlased avalikustanud lasergüroskoobi, mis suudab jälgida Maa pöörlemise kõikumisi peaaegu reaalajas ja mitme millisekundi täpsusega. Tehnika on palju lihtsam kui praegused meetodid ja võib anda täiendava ülevaate nähtustest, mis põhjustavad kõikumisi, nagu nihked ookeanihoovuses.

Maa pöörleb üks kord päevas, kuid meie planeedi pöörlemiskiiruses ja -suunas on väikesed kõikumised. Mõned neist kõikumistest on hästi arusaadavad – näiteks need, mis on põhjustatud Kuu ja Päikese loodete jõududest.

Muud väikesed kõikumised ei ole hästi mõistetavad, sealhulgas need, mis on seotud tahke Maa ja ookeanide, atmosfääri ja jääkihtide vahelise impulsivahetusega. Need mõjud võivad tuleneda kliimasündmustest, nagu El Niño lõunaostsillatsioon, mis muudavad ookeanihoovusi. Selle tulemusena võib Maa pöörlemise kõikumiste mõõtmine heita valgust olulistele protsessidele atmosfääris.

Kombineeritud mõõtmised

Enamik rotatsiooniuuringuid hõlmab ülemaailmsete satelliitnavigatsioonisüsteemide andmete kombineerimist; väga pikad kvasarite raadioastronoomia vaatlused; ja laserkauguse määramine. Nende tehnikate kombineerimise keerukuse tõttu saab päevas teha ainult ühe mõõtmise.

Nüüd meeskond eesotsas Ulrich Schreiber Müncheni Tehnikaülikoolis on loodud lasergüroskoop, mis suudab mõõta väikseid kõikumisi peaaegu reaalajas. Veelgi enam, nende instrument mahub suurde ruumi.

Selle südames on optiline õõnsus, mis juhib valgust ümber 16 m pikkuse ruudukujulise tee. Paar laserkiirt saadetakse ümber õõnsuse vastassuundades, luues ringlasergüroskoobi. See toimib põhimõttel, et güroskoobi pöörlemine mõjutab interferentsi mustrit, mis tekib kahe kiir ühendamisel detektoris. Selliseid güroskoope kasutatakse mõne lennuki ja allveelaeva pardal olevates inertsiaalsetes navigatsioonisüsteemides.

Keldri laboratoorium

"Erinevalt muudest [Maa pöörlemise mõõtmise] tehnikatest on meie ringlaser iseseisev ja mahub meie keldrilaborisse, võimaldades meil Maa pöörlemist peaaegu reaalajas kohe lugeda, " selgitab Schreiber. "Nüüd, pärast 30 aastat kestnud katseid, on meil õnnestunud huvisignaal taastada."

Selle punktini jõudmiseks pidi meeskond viimistlema lasergüroskoobi töö viit peamist aspekti. Esiteks pidi seade olema piisavalt tundlik, et lahendada nii väikesed kui 3 ppb Maa pöörlemiskiiruse kõikumised. Tegelikult oli see üks lihtsamaid väljakutseid, millega nad silmitsi seisid ja sellest sai üle lihtsalt 16 m pikkuse güroskoobi muutmisega.

Siit edasi muutus meeskonna ülesanne ainult raskemaks. "Andur pidi olema äärmiselt stabiilne," ütles Schreiber teise väljakutse kohta. "Me ei saa lubada tal triivida, sest isegi väikseim stabiilsuse puudumine tekitaks näilise signaali, mis uputaks meie pingutused täielikult. Stabiilsust on olnud kõige raskem saavutada.

Täiustatud veaparandus

Kolmas ülesanne, millega meeskond tegeles, oli see, kuidas tulla toime Maa pöörlemistelje muutuva orientatsiooni põhjustatud vigadega. Neid lahendati keeruka veaparandusmeetodi abil.

"Järgmine probleem on see, et meil on ainult üks güroskoopkomponent, kuid kolm ruumisuunda," jätkab Schreiber. "See tähendab, et peame jälgima oma instrumendi kallet 3 nrad-ni, mis on väike, pisike nurk. Orientatsiooni muutus põhjustab maakera pöörlemisvektori projektsiooni muutumise, mis pole midagi muud kui triiv ja see on vale signaal.

Lõpuks ei tööta güroskoobi kaks laserkiirt üksteisest täiesti sõltumatult. See tähendab, et güroskoobi mõõtmised võivad pikas perspektiivis triivida. Selle probleemi lahendamiseks on meeskond aastaid arendanud laserdünaamika mudelit, mis suudab ära tunda ja eemaldada güroskoobi näitude kõikumised.

Kiibil olev optiline güroskoop suudab tuvastada Maa pöörlemise

Nüüd, pärast aastakümneid kestnud rasket tööd, kontrollib meeskonna seade kõiki viit tegurit korraga, võimaldades jälgida Maa pöörlemiskiirust vaid mõne millisekundilise eraldusvõimega 120 päeva jooksul.

Pärast selle muljetavaldava verstaposti läbimist suudab Schreiberi meeskond nüüd jälgida päeva pikkuse muutusi nii pidevalt kui ka reaalajas. See võib aidata anda sügavamat ülevaadet sellest, kuidas tahke Maa oma pinnal oleva õhu, vee ja jääga hoogu vahetab.

Vaadates kaugemale tulevikku, püüavad teadlased nüüd oma güroskoobi stabiilsust veelgi laiendada. "See võimaldab meil tabada nende hoogude ülekannete hooajalist mõju, " ütleb Schreiber. "Praegu saame silmapaistvaid signaale vaadata ainult umbes 14-päevase perioodiga, seega on meie ees veel mitmeid väljakutseid."

Uuringut kirjeldatakse artiklis Looduse fotoonika.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/laser-gyroscope-measures-tiny-fluctuations-in-earths-rotation/