레이저 자이로스코프는 지구 자전의 작은 변동을 측정합니다.

레이저 자이로스코프는 지구 자전의 작은 변동을 측정합니다.

타임 스탬프 : 6 년 2023 월 12 일 오후 25:XNUMX

링레이저
지하 링: 레이저 자이로스코프. (제공: K 울리히 슈라이버 외/자연 Photonics)

30년간의 고된 개발 끝에 독일과 뉴질랜드의 연구원들은 거의 실시간으로 수 밀리초까지 정확하게 지구 자전의 변동을 추적할 수 있는 레이저 자이로스코프를 공개했습니다. 이 기술은 현재 방법보다 훨씬 간단하며 해류의 변화와 같은 변동을 일으키는 현상에 대한 추가 통찰력을 제공할 수 있습니다.

지구는 하루에 한 번 자전하지만, 지구의 자전 속도와 방향에는 작은 변동이 있습니다. 이러한 변동 중 일부는 잘 알려져 있습니다. 예를 들어 달과 태양의 조수력으로 인해 발생하는 변동이 있습니다.

고체 지구와 해양, 대기 및 빙상 사이의 운동량 교환과 관련된 변동을 포함하여 다른 작은 변동은 잘 이해되지 않습니다. 이러한 효과는 해류를 변화시키는 엘니뇨 남방 진동과 같은 기후 현상으로 인해 발생할 수 있습니다. 결과적으로 지구 자전의 변동을 측정하면 대기의 중요한 과정을 밝힐 수 있습니다.

결합된 측정

대부분의 회전 연구에는 글로벌 위성 항법 시스템의 데이터 결합이 포함됩니다. 퀘이사에 대한 매우 긴 기준 전파 천문학 관측; 그리고 레이저 거리 측정. 이러한 기술을 결합하는 것이 복잡하기 때문에 하루에 한 번만 측정할 수 있습니다.

이제 팀장이 이끄는 팀은 울리히 슈라이버 뮌헨 공과 대학에서는 거의 실시간으로 작은 변동을 측정할 수 있는 레이저 자이로스코프를 만들었습니다. 더욱이 그들의 장비는 넓은 방에도 들어갈 수 있습니다.

그 중심에는 16m 길이의 정사각형 경로 주위로 빛을 안내하는 광학 공동이 있습니다. 한 쌍의 레이저 빔이 공동 주위로 반대 방향으로 전송되어 링 레이저 자이로스코프를 생성합니다. 이는 자이로스코프의 회전이 감지기에서 두 개의 빔이 결합될 때 생성되는 간섭 패턴에 영향을 미친다는 원리에 따라 작동합니다. 이러한 자이로스코프는 일부 항공기 및 잠수함의 내장 관성 항법 시스템에 사용됩니다.

지하 연구실

Schreiber는 "[지구 자전 측정을 위한] 다른 기술과 달리, 우리의 링 레이저는 독립형이며 지하 실험실에 적합하므로 거의 실시간으로 즉시 지구의 자전을 읽을 수 있습니다."라고 설명합니다. “이제 30년 간의 실험 끝에 관심 신호를 복구하는 데 성공했습니다.”

이 지점에 도달하기 위해 팀은 레이저 자이로스코프 작동의 3가지 주요 측면을 미세 조정해야 했습니다. 첫째, 장비는 지구 회전 속도의 16ppb만큼 미묘한 변화를 해결할 수 있을 만큼 민감해야 했습니다. 실제로 이것은 그들이 직면한 가장 쉬운 과제 중 하나였으며 자이로스코프의 길이를 XNUMXm로 만드는 것만으로도 극복할 수 있었습니다.

여기서부터 팀의 임무는 더욱 어려워졌습니다. Schreiber는 두 번째 과제에 대해 “센서는 극도로 안정적이어야 했습니다.”라고 말했습니다. “가장 작은 안정성 부족이라도 명백한 신호를 생성하여 우리의 노력을 완전히 물들일 수 있기 때문에 드리프트가 발생하도록 허용할 수 없습니다. 안정성이 가장 달성하기 어려운 부분이었습니다.”

정교한 오류 수정

팀이 해결한 세 번째 작업은 지구 회전축의 다양한 방향으로 인해 발생하는 오류를 처리하는 방법이었습니다. 이러한 문제는 정교한 오류 수정 방법을 사용하여 해결되었습니다.

"다음 문제는 우리가 단 하나의 자이로 구성 요소만을 가지고 있지만 공간 방향은 세 개라는 것입니다."라고 Schreiber는 계속합니다. “이는 우리 장비의 기울기를 아주 작은 각도인 3nrad 수준까지 추적해야 함을 의미합니다. 방향의 변화로 인해 지구 회전 벡터의 투영이 변경되는데, 이는 표류에 지나지 않으며 잘못된 신호입니다.”

마지막으로 자이로스코프의 이중 레이저 빔은 서로 완전히 독립적으로 작동하지 않습니다. 이는 자이로스코프의 측정값이 장기적으로 표류할 수 있음을 의미합니다. 이 문제에 대응하기 위해 팀은 자이로스코프 판독값의 드리프트를 인식하고 제거할 수 있는 레이저 역학 모델을 개발하는 데 수년을 보냈습니다.

수십 년간의 노력 끝에 이제 팀의 장비는 이 다섯 가지 요소를 동시에 제어하여 120일 동안 단 몇 밀리초의 분해능으로 지구의 자전 속도를 모니터링할 수 있게 되었습니다.

이 인상적인 이정표를 통과한 Schreiber 팀은 이제 하루의 길이 변화를 지속적으로 실시간으로 추적할 수 있습니다. 이는 고체 지구가 표면의 공기, 물 및 얼음과 운동량을 교환하는 방법에 대한 더 깊은 통찰력을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.

앞으로 연구원들은 자이로스코프의 안정성을 더욱 확장하는 것을 목표로 하고 있습니다. Schreiber는 “이를 통해 우리는 이러한 모멘텀 이동의 계절적 효과를 포착할 수 있게 될 것입니다.”라고 말했습니다. “현재로서는 약 14일 동안의 주요 신호만 볼 수 있으므로 우리 앞에는 여전히 많은 과제가 남아 있습니다.”

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 자연 Photonics.

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