レーザージャイロスコープが地球の自転の微小な変動を測定

プラトン再発行

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リングレーザー — 地下リング: レーザージャイロスコープ。 (提供: K ウルリッヒシュライバーら/*Nature Photonicsの*)

30年にわたる骨の折れる開発を経て、ドイツとニュージーランドの研究者らは、地球の回転の変動をほぼリアルタイムで数ミリ秒の精度で追跡できるレーザージャイロスコープを発表した。この技術は現在の方法よりもはるかに簡単で、海流の変化など、変動を引き起こす現象についてさらなる洞察が得られる可能性がある。

地球は XNUMX 日に XNUMX 回回転しますが、地球の回転速度と方向にはわずかな変動があります。これらの変動の一部はよく理解されています。たとえば、月や太陽の潮汐力によって引き起こされる変動などです。

固体地球と海洋、大気、氷床の間の運動量の交換に関連するものを含め、他の小さな変動はよく理解されていません。これらの影響は、海流を変化させるエルニーニョ南方振動などの気候現象によって発生する可能性があります。その結果、地球の自転の変動を測定することで、大気中の重要なプロセスを解明できる可能性があります。

組み合わせた測定値

ほとんどの回転研究には、全地球規模の衛星ナビゲーションシステムからのデータを組み合わせることが含まれます。クエーサーの非常に長い基線電波天文学観測。そしてレーザー測距。これらの技術を組み合わせるのは複雑であるため、XNUMX 日に実行できる測定は XNUMX 回だけです。

さて、率いるチームは、ウルリッヒ・シュライバーミュンヘン工科大学の研究チームは、ほぼリアルタイムで微小な変動を測定できるレーザージャイロスコープを開発しました。さらに、彼らの楽器は広い部屋にも収まります。

その中心には、長さ 16 m の正方形のパスの周りに光を導く光キャビティがあります。一対のレーザービームがキャビティの周りで反対方向に送信され、リングレーザージャイロスコープを作成します。これは、ジャイロスコープの回転が、XNUMX つのビームが検出器で結合されたときに生成される干渉パターンに影響を与えるという原理に基づいて機能します。このようなジャイロスコープは、一部の航空機や潜水艦の搭載慣性航法システムで使用されています。

地下実験室

「（地球の回転を測定する）他の技術とは対照的に、私たちのリングレーザーは自己完結型で、地下の実験室に設置できるため、地球の回転をほぼリアルタイムで瞬時に読み取ることができます」とシュライバー氏は説明する。「30 年にわたる実験努力を経て、私たちは目的の信号を回復することに成功しました。」

この点に到達するために、チームはレーザージャイロスコープの動作の 3 つの重要な側面を微調整する必要がありました。まず、この機器は、地球の自転速度の 16 ppb ほどの微妙な変動を解決できるほど感度が高い必要がありました。実際、これは彼らが直面した最も簡単な課題の XNUMX つであり、ジャイロスコープの長さを XNUMX メートルにするだけで克服できました。

ここから、チームの任務はさらに難しくなりました。「センサーは極めて安定している必要がありました」とシュライバー氏は XNUMX 番目の課題について語った。「安定性がほんのわずかでも欠けていると明らかな信号が発生し、それが私たちの努力を完全に水の泡にしてしまうため、ドリフトが発生することを許可することはできません。安定性を達成するのが最も難しい部分でした。」

精緻なエラー修正

チームが取り組んだ XNUMX 番目の課題は、地球の回転軸の向きの変化によってもたらされる誤差にどう対処するかということでした。これらは、精巧なエラー修正方法を使用して対処されました。

「次の問題は、ジャイロコンポーネントが 3 つしかないのに、空間方向が XNUMX つあることです」と Schreiber 氏は続けます。「これは、機器の傾きを XNUMX nrad のレベルまで追跡する必要があることを意味します。これは非常に小さな角度です。方向の変化により地球の回転ベクトルの投影が変化しますが、これはドリフトに他ならず、誤った信号です。」

最後に、ジャイロスコープのデュアルレーザービームは、互いに完全に独立して動作するわけではありません。これは、ジャイロスコープの測定値が長期的には変動する可能性があることを意味します。この問題に対処するために、チームはジャイロスコープの読み取り値のドリフトを認識して除去できるレーザーダイナミクスモデルの開発に何年も費やしてきました。

チップ上の光学ジャイロスコープは地球の回転を検出可能

数十年にわたる努力を経て、現在、チームの機器はこれら 120 つの要素すべてを同時に制御し、地球の自転速度を XNUMX 日間にわたってわずか数ミリ秒の解像度で監視できるようになりました。

この素晴らしいマイルストーンを通過したことで、シュライバー氏のチームは現在、XNUMX 日の長さの変化を継続的かつリアルタイムで追跡できるようになりました。これは、固体地球がその表面の空気、水、氷とどのように運動量を交換するかについて、より深い洞察を提供するのに役立つ可能性があります。

研究者らはさらに先を見据えて、ジャイロスコープの安定性をさらに拡張することを目指しています。「これにより、これらの運動量の移動による季節的影響を捉えることが可能になります」とシュライバー氏は言います。「現時点では、約 14 日周期の顕著なシグナルしか確認できません。そのため、私たちの前にはまだ多くの課題が残されています。」

研究はで説明されています Nature Photonicsの.