Giroskop laser mengukur fluktuasi kecil dalam rotasi bumi – Dunia Fisika

Setelah 30 tahun melakukan pengembangan yang melelahkan, para peneliti di Jerman dan Selandia Baru telah meluncurkan giroskop laser yang dapat melacak fluktuasi rotasi bumi hampir secara real-time dan akurat hingga beberapa milidetik. Teknik ini jauh lebih sederhana dibandingkan metode yang ada saat ini dan dapat memberikan wawasan lebih jauh mengenai fenomena yang menyebabkan fluktuasi – seperti pergeseran arus laut.

Bumi berotasi satu kali dalam satu hari, namun terdapat fluktuasi kecil pada laju dan arah rotasi planet kita. Beberapa dari fluktuasi ini telah dipahami dengan baik – misalnya fluktuasi yang disebabkan oleh gaya pasang surut Bulan dan Matahari.

Fluktuasi kecil lainnya belum dipahami dengan baik termasuk yang terkait dengan pertukaran momentum antara padatnya bumi dan lautan, atmosfer, dan lapisan es. Dampak ini dapat timbul dari peristiwa iklim seperti osilasi selatan El Niño yang mengubah arus laut. Hasilnya, mengukur fluktuasi rotasi bumi dapat menjelaskan proses penting di atmosfer.

Pengukuran gabungan

Kebanyakan studi rotasi melibatkan penggabungan data dari sistem navigasi satelit global; pengamatan astronomi radio dasar yang sangat panjang terhadap quasar; dan jangkauan laser. Karena rumitnya penggabungan teknik-teknik ini, hanya satu pengukuran yang dapat dilakukan per hari.

Sekarang, tim dipimpin oleh Ulrich Schreiber di Universitas Teknik Munich telah menciptakan giroskop laser yang dapat mengukur fluktuasi kecil hampir secara real-time. Terlebih lagi, instrumen mereka bisa masuk ke dalam ruangan besar.

Pada intinya terdapat rongga optik yang memandu cahaya mengelilingi jalur persegi yang panjangnya 16 m. Sepasang sinar laser dikirim mengelilingi rongga dengan arah berlawanan sehingga menciptakan giroskop laser cincin. Ini bekerja berdasarkan prinsip bahwa rotasi giroskop mempengaruhi pola interferensi yang tercipta ketika dua sinar digabungkan pada detektor. Giroskop semacam itu digunakan dalam sistem navigasi inersia di beberapa pesawat dan kapal selam.

Laboratorium ruang bawah tanah

“Berbeda dengan teknik lain [untuk mengukur rotasi Bumi], laser cincin kami bersifat mandiri dan dapat dimasukkan ke dalam laboratorium bawah tanah kami, memungkinkan kami membaca rotasi Bumi secara instan hampir dalam waktu nyata,” jelas Schreiber. “Sekarang, setelah upaya eksperimental selama 30 tahun, kami telah berhasil memulihkan sinyal ketertarikan.”

Untuk mencapai titik ini, tim perlu menyempurnakan lima aspek utama pengoperasian giroskop laser. Pertama, instrumen harus cukup sensitif untuk menyelesaikan variasi kecepatan rotasi bumi sebesar 3 ppb. Faktanya, ini adalah salah satu tantangan termudah yang mereka hadapi, dan dapat diatasi hanya dengan membuat giroskop sepanjang 16 m.

Dari sini, tugas tim semakin sulit. “Sensornya harus sangat stabil,” kata Schreiber tentang tantangan kedua. “Kami tidak bisa membiarkannya berkembang karena kurangnya stabilitas sekecil apa pun akan menghasilkan sinyal nyata, yang akan menenggelamkan upaya kami sepenuhnya. Stabilitas adalah bagian tersulit untuk dicapai.”

Koreksi kesalahan yang rumit

Tugas ketiga yang ditangani tim adalah bagaimana mengatasi kesalahan yang disebabkan oleh beragamnya orientasi sumbu rotasi bumi. Masalah ini diatasi dengan menggunakan metode koreksi kesalahan yang rumit.

“Masalah berikutnya adalah kita hanya memiliki satu komponen gyro, tapi tiga arah spasial,” lanjut Schreiber. “Ini berarti kita perlu melacak kemiringan instrumen kita ke tingkat 3 nrad, yang merupakan sudut yang sangat kecil. Perubahan orientasi menyebabkan proyeksi vektor rotasi bumi berubah, yang tidak lain hanyalah penyimpangan dan itu merupakan sinyal palsu.”

Terakhir, sinar laser ganda giroskop tidak beroperasi sepenuhnya secara independen satu sama lain. Artinya, pengukuran giroskop bisa melayang dalam jangka panjang. Untuk mengatasi masalah ini, tim telah menghabiskan waktu bertahun-tahun mengembangkan model dinamika laser yang dapat mengenali dan menghilangkan penyimpangan apa pun dalam pembacaan giroskop.

Giroskop optik pada sebuah chip dapat mendeteksi rotasi bumi

Kini, setelah kerja keras selama puluhan tahun, instrumen tim mengontrol kelima faktor ini secara bersamaan – memungkinkannya memantau laju rotasi bumi hingga resolusi hanya beberapa milidetik selama 120 hari.

Setelah melewati tonggak sejarah yang mengesankan ini, tim Schreiber kini dapat melacak variasi panjang hari baik secara terus menerus maupun secara real time. Hal ini dapat membantu memberikan wawasan yang lebih mendalam tentang bagaimana bumi padat bertukar momentum dengan udara, air, dan es di permukaannya.

Melihat lebih jauh ke depan, para peneliti kini bertujuan untuk memperluas stabilitas giroskop mereka lebih jauh lagi. “Hal ini akan memungkinkan kita untuk menangkap dampak musiman dari transfer momentum ini,” kata Schreiber. “Saat ini, kami hanya dapat melihat sinyal-sinyal yang menonjol dengan jangka waktu sekitar 14 hari, sehingga masih ada sejumlah tantangan yang harus kami hadapi.”

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Nature Photonics.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/laser-gyroscope-measures-tiny-fluctuations-in-earths-rotation/