Lasergyroscoop meet kleine fluctuaties in de rotatie van de aarde – Physics World

Na dertig jaar nauwgezette ontwikkeling hebben onderzoekers in Duitsland en Nieuw-Zeeland een lasergyroscoop onthuld die fluctuaties in de rotatie van de aarde vrijwel in realtime en tot op enkele milliseconden nauwkeurig kan volgen. De techniek is veel eenvoudiger dan de huidige methoden en zou meer inzicht kunnen bieden in verschijnselen die de fluctuaties veroorzaken – zoals verschuivingen in oceaanstromingen.

De aarde draait één keer per dag, maar er zijn kleine schommelingen in de snelheid en richting van de rotatie van onze planeet. Sommige van deze fluctuaties zijn goed bekend, bijvoorbeeld de fluctuaties die worden veroorzaakt door de getijdenkrachten van de maan en de zon.

Andere kleine fluctuaties zijn nog niet goed begrepen, inclusief die welke verband houden met de uitwisseling van momentum tussen de vaste aarde en de oceanen, de atmosfeer en de ijskappen. Deze effecten kunnen voortkomen uit klimaatgebeurtenissen zoals de zuidelijke oscillatie van El Niño, die de oceaanstromingen verandert. Als gevolg hiervan zou het meten van fluctuaties in de rotatie van de aarde licht kunnen werpen op belangrijke processen in de atmosfeer.

Gecombineerde metingen

De meeste rotatiestudies omvatten het combineren van gegevens van mondiale satellietnavigatiesystemen; zeer lange basisradioastronomiewaarnemingen van quasars; en laserbereik. Vanwege de complexiteit van het combineren van deze technieken kan er slechts één meting per dag worden uitgevoerd.

Nu, een team onder leiding van Ulrich Schreiber aan de Technische Universiteit van München heeft een lasergyroscoop gemaakt die de kleine fluctuaties bijna in realtime kan meten. Bovendien past hun instrument in een grote kamer.

Het hart ervan is een optische holte die het licht rond een vierkant pad van 16 meter lang geleidt. Een paar laserstralen worden in tegengestelde richtingen door de holte gestuurd, waardoor een ringlasergyroscoop ontstaat. Dit werkt volgens het principe dat een rotatie van de gyroscoop het interferentiepatroon beïnvloedt dat ontstaat wanneer de twee bundels bij een detector worden gecombineerd. Dergelijke gyroscopen worden gebruikt in traagheidsnavigatiesystemen aan boord van sommige vliegtuigen en onderzeeërs.

Kelder laboratorium

“In tegenstelling tot andere technieken [voor het meten van de rotatie van de aarde], is onze ringlaser autonoom en past hij in ons kelderlaboratorium, waardoor we de rotatie van de aarde onmiddellijk en bijna in realtime kunnen meten”, legt Schreiber uit. “Nu, na dertig jaar van experimentele inspanningen, zijn we erin geslaagd het signaal van interesse te herwinnen.”

Om dit punt te bereiken moest het team vijf belangrijke aspecten van de werking van de lasergyroscoop verfijnen. Ten eerste moest het instrument gevoelig genoeg zijn om variaties zo subtiel als 3 ppb van de rotatiesnelheid van de aarde op te lossen. In feite was dit een van de gemakkelijkste uitdagingen waarmee ze werden geconfronteerd, en deze kon eenvoudig worden overwonnen door de gyroscoop een lengte van 16 meter te geven.

Vanaf hier werd de taak van het team alleen maar moeilijker. “De sensor moest extreem stabiel zijn”, zei Schreiber over de tweede uitdaging. “We kunnen niet toestaan ​​dat het een drift ontwikkelt, omdat zelfs het kleinste gebrek aan stabiliteit een schijnbaar signaal zou genereren, dat onze inspanningen volledig zou verdrinken. De stabiliteit was het moeilijkste om te bereiken.”

Uitgebreide foutcorrectie

De derde taak die het team aanpakte, was hoe om te gaan met de fouten die werden veroorzaakt door de variërende oriëntatie van de rotatie-as van de aarde. Deze werden verholpen met behulp van een uitgebreide foutcorrectiemethode.

“Het volgende probleem is dat we maar één gyrocomponent hebben, maar drie ruimtelijke richtingen”, vervolgt Schreiber. “Dit betekent dat we de kanteling van ons instrument moeten volgen tot op het niveau van 3 Nrad, wat een heel klein hoekje is. Een verandering in oriëntatie zorgt ervoor dat de projectie van de aardrotatievector verandert, wat niets anders is dan een drift en dat is een vals signaal.”

Ten slotte werken de dubbele laserstralen van de gyroscoop niet volledig onafhankelijk van elkaar. Dit betekent dat de metingen van de gyroscoop op de lange termijn kunnen afwijken. Om dit probleem tegen te gaan, heeft het team jarenlang een laserdynamicamodel ontwikkeld dat elke afwijking in de metingen van de gyroscoop kan herkennen en wegwerken.

Optische gyroscoop op een chip kan de rotatie van de aarde detecteren

Nu, na decennia van hard werken, controleert het instrument van het team alle vijf deze factoren tegelijkertijd, waardoor het de rotatiesnelheid van de aarde gedurende 120 dagen kan monitoren met een resolutie van slechts enkele milliseconden.

Nu deze indrukwekkende mijlpaal is bereikt, kan het team van Schreiber nu variaties in de lengte van de dag zowel continu als in realtime volgen. Dit zou kunnen helpen diepere inzichten te verschaffen in de manier waarop de vaste aarde momentum uitwisselt met de lucht, het water en het ijs op het oppervlak.

Verder vooruit kijkend, willen de onderzoekers nu de stabiliteit van hun gyroscoop nog verder vergroten. “Dit zal ons in staat stellen het seizoenseffect van deze momentumoverdrachten vast te leggen”, zegt Schreiber. “Op dit moment kunnen we de opvallende signalen alleen bekijken met een periode van grofweg 14 dagen, dus er liggen nog een aantal uitdagingen voor ons.”

Het onderzoek is beschreven in Natuur Fotonica.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/laser-gyroscope-measures-tiny-fluctuations-in-earths-rotation/