Lasergyroskooppi mittaa Maan pyörimisen pieniä vaihteluita – Physics World

30 vuoden huolellisen kehityksen jälkeen Saksan ja Uuden-Seelannin tutkijat ovat julkistaneet lasergyroskoopin, joka voi seurata Maan pyörimisen vaihteluita lähes reaaliajassa ja useiden millisekuntien tarkkuudella. Tekniikka on paljon yksinkertaisempi kuin nykyiset menetelmät, ja se voisi tarjota lisää näkemyksiä ilmiöistä, jotka aiheuttavat vaihteluita – kuten merivirtojen siirtymiä.

Maapallo pyörii kerran päivässä, mutta planeettamme pyörimisnopeudessa ja suunnassa on pieniä vaihteluita. Jotkut näistä vaihteluista ovat hyvin ymmärrettyjä – esimerkiksi kuun ja auringon vuorovesivoimien aiheuttamia.

Muita pieniä heilahteluja ei ymmärretä hyvin, mukaan lukien ne, jotka liittyvät liikemäärän vaihtoon kiinteän Maan ja valtamerten, ilmakehän ja jäälevyjen välillä. Nämä vaikutukset voivat johtua ilmastotapahtumista, kuten El Niñon eteläoskillaatiosta, jotka muuttavat valtamerivirtoja. Tämän seurauksena Maan pyörimisen vaihteluiden mittaaminen voisi paljastaa tärkeitä ilmakehän prosesseja.

Yhdistetyt mitat

Useimmat kiertotutkimukset sisältävät maailmanlaajuisten satelliittinavigointijärjestelmien tietojen yhdistämisen; erittäin pitkät kvasaarien radioastronomiset perushavainnot; ja laseretäisyys. Näiden tekniikoiden yhdistämisen monimutkaisuuden vuoksi voidaan tehdä vain yksi mittaus päivässä.

Nyt ryhmä johtaa Ulrich Schreiber Münchenin teknillinen yliopisto on luonut lasergyroskoopin, joka voi mitata pieniä heilahteluja lähes reaaliajassa. Lisäksi heidän instrumenttinsa mahtuu suureen huoneeseen.

Sen sydämessä on optinen onkalo, joka ohjaa valoa neliömäisen polun ympäri, joka on 16 metriä pitkä. Pari lasersäteitä lähetetään ontelon ympäri vastakkaisiin suuntiin, jolloin syntyy rengaslasergyroskooppi. Tämä toimii sillä periaatteella, että gyroskoopin pyöriminen vaikuttaa häiriökuvioon, joka syntyy, kun kaksi sädettä yhdistetään ilmaisimessa. Tällaisia ​​gyroskooppeja käytetään joissakin lentokoneissa ja sukellusveneissä olevissa inertianavigointijärjestelmissä.

Kellarin laboratorio

"Toisin kuin muut [Maan pyörimisen mittaamiseen käytettävät] tekniikat, rengaslaserimme on itsenäinen ja mahtuu kellarilaboratorioon, jolloin voimme lukea Maan pyörimisen välittömästi melkein reaaliajassa", Schreiber selittää. "Nyt, 30 vuoden kokeellisen työn jälkeen, olemme onnistuneet saamaan takaisin kiinnostuksen signaalin."

Tämän pisteen saavuttamiseksi ryhmän täytyi hienosäätää viisi lasergyroskoopin toiminnan avainkohtaa. Ensinnäkin instrumentin oli oltava riittävän herkkä, jotta se pystyisi ratkaisemaan jopa 3 ppb Maan pyörimisnopeuden vaihtelut. Itse asiassa tämä oli yksi helpoimmista haasteista, joita he kohtasivat, ja se voitiin voittaa yksinkertaisesti tekemällä gyroskoopista 16 metriä pitkä.

Tästä eteenpäin joukkueen tehtävä muuttui vain vaikeammaksi. "Anturin piti olla erittäin vakaa", Schreiber sanoi toisesta haasteesta. "Emme voi antaa sen kehittyä ajautumaan, koska pieninkin vakauden puute synnyttäisi näennäisen signaalin, joka hukistaisi ponnistelumme kokonaan. Vakaus on ollut vaikein saavuttaa."

Tarkenna virheenkorjausta

Kolmas tehtävä, jonka ryhmä käsitteli, oli kuinka käsitellä Maan pyörimisakselin vaihtelevan suunnan aiheuttamia virheitä. Nämä korjattiin monimutkaisella virheenkorjausmenetelmällä.

"Seuraava ongelma on, että meillä on vain yksi gyrokomponentti, mutta kolme spatiaalista suuntaa", Schreiber jatkaa. "Tämä tarkoittaa, että meidän on seurattava instrumenttimme kallistusta tasolle 3 nrad, mikä on pieni, pieni kulma. Suunnan muutos saa Maan pyörimisvektorin projektion muuttumaan, mikä ei ole muuta kuin ajautumista ja se on väärä signaali."

Lopuksi gyroskoopin kaksoislasersäteet eivät toimi täysin toisistaan ​​riippumatta. Tämä tarkoittaa, että gyroskoopin mittaukset voivat ajautua pitkällä aikavälillä. Tämän ongelman torjumiseksi tiimi on käyttänyt vuosia kehittäessään laserdynamiikkamallia, joka tunnistaa ja puhdistaa gyroskoopin lukemien mahdolliset poikkeamat.

Sirulla oleva optinen gyroskooppi voi havaita Maan pyörimisen

Nyt vuosikymmeniä kestäneen kovan työn jälkeen ryhmän instrumentti ohjaa kaikkia viittä tekijää samanaikaisesti – jolloin se voi seurata Maan pyörimisnopeutta vain muutaman millisekunnin tarkkuudella 120 päivän aikana.

Tämän vaikuttavan virstanpylvään jälkeen Schreiberin tiimi pystyy nyt seuraamaan päivän pituuden vaihteluita sekä jatkuvasti että reaaliajassa. Tämä voisi auttaa antamaan syvempiä näkemyksiä siitä, kuinka kiinteä maapallo vaihtaa vauhtia pinnallaan olevan ilman, veden ja jään kanssa.

Katseet pidemmälle tulevaisuuteen tutkijat pyrkivät nyt laajentamaan gyroskooppinsa vakautta entisestään. "Tämän avulla voimme vangita näiden vauhdinsiirtojen kausiluonteiset vaikutukset", Schreiber sanoo. "Tällä hetkellä voimme tarkastella näkyviä signaaleja vain noin 14 päivän ajanjaksolla, joten edessämme on vielä useita haasteita."

Tutkimusta kuvataan Luonto Fotoniikka.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/laser-gyroscope-measures-tiny-fluctuations-in-earths-rotation/