A lézergiroszkóp a Föld forgásának apró ingadozásait méri – Fizika világa

A lézergiroszkóp a Föld forgásának apró ingadozásait méri – Fizika világa

Időbélyeg: 6. október 2023. 12:25

Gyűrűs lézer
Pincegyűrű: a lézergiroszkóp. (Jóvolt: K Ulrich Schreiber et al/Nature fotonika)

30 évnyi gondos fejlesztés után németországi és új-zélandi kutatók bemutattak egy lézergiroszkópot, amely közel valós időben és több ezredmásodperces pontossággal képes követni a Föld forgásának ingadozásait. A technika sokkal egyszerűbb, mint a jelenlegi módszerek, és további betekintést nyújthat az ingadozásokat okozó jelenségekbe – például az óceáni áramlatok eltolódásaiba.

A Föld egy nap alatt egyszer megfordul, de bolygónk forgási sebességében és irányában apró ingadozások vannak. Néhány ilyen ingadozás jól ismert – például azokat, amelyeket a Hold és a Nap árapály-ereje okoz.

Más apró ingadozásokat nem értünk jól, beleértve azokat, amelyek a szilárd Föld és az óceánok, a légkör és a jégtakarók közötti lendületcserével kapcsolatosak. Ezek a hatások olyan éghajlati eseményekből eredhetnek, mint például az El Niño déli oszcillációja, amelyek megváltoztatják az óceáni áramlatokat. Ennek eredményeként a Föld forgásának ingadozásainak mérése fényt deríthet a légkörben zajló fontos folyamatokra.

Kombinált mérések

A legtöbb rotációs tanulmány magában foglalja a globális műholdas navigációs rendszerek adatainak kombinálását; a kvazárok nagyon hosszú kiindulási rádiócsillagászati ​​megfigyelései; és lézeres távolságmérés. A technikák kombinálásának összetettsége miatt naponta csak egy mérés végezhető.

Most egy csapat élén Ulrich Schreiber A Müncheni Műszaki Egyetemen olyan lézergiroszkópot készítettek, amely közel valós időben képes mérni az apró ingadozásokat. Sőt, hangszerük egy nagy helyiségben is elfér.

Szívében egy optikai üreg található, amely egy 16 m hosszú négyzet alakú pályán vezeti a fényt. Egy pár lézersugarat küldenek körbe az üregben ellentétes irányban, gyűrűs lézergiroszkópot létrehozva. Ez azon az elven működik, hogy a giroszkóp elforgatása befolyásolja az interferenciamintázatot, amely akkor jön létre, amikor a két nyaláb egy detektornál kombinálódik. Az ilyen giroszkópokat egyes repülőgépek és tengeralattjárók fedélzeti inerciális navigációs rendszereiben használják.

Alagsori laboratórium

„Más technikákkal [a Föld forgásának mérésére] ellentétben a gyűrűs lézerünk önálló, és elfér az alagsori laboratóriumunkban, lehetővé téve számunkra, hogy szinte valós időben azonnal leolvassuk a Föld forgását” – magyarázza Schreiber. „Most, 30 év kísérleti erőfeszítés után, sikerült visszaszereznünk az érdeklődés jelét.”

Ennek eléréséhez a csapatnak finomhangolnia kellett a lézergiroszkóp működésének öt kulcsfontosságú aspektusát. Először is, a műszernek elég érzékenynek kell lennie ahhoz, hogy feloldja a Föld forgási sebességének akár 3 ppb-nyi eltéréseit is. Valójában ez volt az egyik legkönnyebb kihívás, amellyel szembe kellett nézniük, és egyszerűen le lehetett küzdeni a giroszkóp 16 méteres hosszúságával.

Innentől csak nehezedett a csapat dolga. „Az érzékelőnek rendkívül stabilnak kellett lennie” – mondta Schreiber a második kihívásról. „Nem engedhetjük meg, hogy elsodródjon, mert a stabilitás legapróbb hiánya is látszólagos jelzést generálna, ami teljesen elnyomná az erőfeszítésünket. A stabilitást volt a legnehezebb elérni.”

Kidolgozott hibajavítás

A harmadik feladat, amellyel a csapat foglalkozott, az volt, hogyan kezeljék a Föld forgástengelyének változó tájolásából adódó hibákat. Ezeket egy bonyolult hibajavító módszerrel orvosoltuk.

„A következő probléma az, hogy csak egyetlen giroszkóp-komponensünk van, de három térbeli irányunk van” – folytatja Schreiber. „Ez azt jelenti, hogy nyomon kell követnünk a hangszerünk dőlését 3 nrad szintig, ami egy apró, apró szög. A tájolás megváltozása megváltoztatja a Föld forgásvektorának vetületét, ami nem más, mint egy sodródás, és ez hamis jel.

Végül a giroszkóp kettős lézersugara nem működik teljesen egymástól függetlenül. Ez azt jelenti, hogy a giroszkóp mérései hosszú távon elmozdulhatnak. A probléma kiküszöbölésére a csapat éveket töltött egy olyan lézerdinamikai modell kifejlesztésével, amely képes felismerni és kiküszöbölni a giroszkóp leolvasásának bármilyen eltolódását.

Most, több évtizedes kemény munka után, a csapat műszere mind az öt tényezőt egyszerre vezérli – lehetővé téve a Föld forgási sebességének megfigyelését 120 nap alatt, mindössze néhány ezredmásodperces felbontással.

Miután túljutott ezen a lenyűgöző mérföldkőn, Schreiber csapata folyamatosan és valós időben is képes nyomon követni a nap hosszának változásait. Ez segíthet mélyebb betekintést nyújtani abba, hogy a szilárd Föld hogyan cserél lendületet a felszínén lévő levegővel, vízzel és jéggel.

Tovább tekintve a kutatók célja, hogy még tovább növeljék giroszkópjuk stabilitását. „Ez lehetővé teszi számunkra, hogy megragadjuk ezen lendülettranszferek szezonális hatását” – mondja Schreiber. „Jelenleg csak nagyjából 14 napos periódusban tudjuk megnézni a szembetűnő jeleket, tehát még számos kihívás vár ránk.”

A kutatás leírása a Nature fotonika.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa