Lasergyroskop måler små svingninger i jordens rotasjon – Physics World

Etter 30 år med møysommelig utvikling har forskere i Tyskland og New Zealand avduket et lasergyroskop som kan spore svingninger i jordens rotasjon i nesten sanntid og nøyaktig til flere millisekunder. Teknikken er mye enklere enn dagens metoder og kan gi ytterligere innsikt i fenomener som forårsaker svingningene – for eksempel endringer i havstrømmene.

Jorden roterer én gang i løpet av en dag, men det er små svingninger i hastigheten og retningen på planetens rotasjon. Noen av disse svingningene er godt forstått – for eksempel de som er forårsaket av tidevannskreftene til månen og solen.

Andre små svingninger er ikke godt forstått, inkludert de som er relatert til utvekslingen av momentum mellom den solide jorden og havene, atmosfæren og isdekkene. Disse effektene kan oppstå fra klimahendelser som den sørlige oscillasjonen El Niño, som endrer havstrømmene. Som et resultat kan måling av svingninger i jordens rotasjon kaste lys over viktige prosesser i atmosfæren.

Kombinerte mål

De fleste rotasjonsstudier involverer å kombinere data fra globale satellittnavigasjonssystemer; svært lange baseline radio-astronomi observasjoner av kvasarer; og laseravstandsmåling. På grunn av kompleksiteten ved å kombinere disse teknikkene, kan kun én måling gjøres per dag.

Nå, et team ledet av Ulrich Schreiber ved det tekniske universitetet i München har laget et lasergyroskop som kan måle de små svingningene i nesten sanntid. Dessuten kan instrumentet deres passe inn i et stort rom.

I hjertet er det et optisk hulrom som leder lyset rundt en firkantet bane som er 16 m lang. Et par laserstråler sendes rundt hulrommet i motsatte retninger og skaper et ringlasergyroskop. Dette fungerer etter prinsippet om at en rotasjon av gyroskopet påvirker interferensmønsteret som skapes når de to strålene kombineres ved en detektor. Slike gyroskoper brukes i treghetsnavigasjonssystemer ombord i enkelte fly og ubåter.

Kjellerlaboratorium

"I motsetning til andre teknikker [for å måle jordens rotasjon], er ringlaseren vår selvstendig og kan passe inn i kjellerlaboratoriet vårt, slik at vi umiddelbart kan lese jordens rotasjon nesten i sanntid," forklarer Schreiber. "Nå, etter 30 år med eksperimentell innsats, har vi lykkes med å gjenvinne signalet om interesse."

For å nå dette punktet, trengte teamet å finjustere fem nøkkelaspekter ved lasergyroskopets operasjon. For det første måtte instrumentet være følsomt nok til å løse variasjoner så subtile som 3 ppb av jordens rotasjonshastighet. Faktisk var dette en av de enkleste utfordringene de møtte, og kunne overvinnes ganske enkelt ved å lage gyroskopet 16 m langt.

Herfra ble lagets oppgave bare vanskeligere. "Sensoren måtte være ekstremt stabil," sa Schreiber om den andre utfordringen. "Vi kan ikke la den utvikle en drift fordi selv den minste mangel på stabilitet vil generere et tilsynelatende signal, som ville drukne vår innsats fullstendig. Stabiliteten har vært den vanskeligste delen å oppnå.»

Utførlig feilretting

Den tredje oppgaven teamet tok tak i var hvordan de skulle håndtere feilene som ble introdusert av den varierende orienteringen til jordens rotasjonsakse. Disse ble løst ved hjelp av en forseggjort feilrettingsmetode.

"Det neste problemet er at vi bare har en enkelt gyrokomponent, men tre romlige retninger," fortsetter Schreiber. "Dette betyr at vi må spore tilten til instrumentet vårt til nivået 3 nrad, som er en liten, liten vinkel. En endring i orientering fører til at projeksjonen av jordrotasjonsvektoren endres, som ikke er noe annet enn en drift og det er et falskt signal.»

Til slutt fungerer ikke gyroskopets doble laserstråler helt uavhengig av hverandre. Dette betyr at gyroskopets målinger kan drive på lang sikt. For å motvirke dette problemet har teamet brukt år på å utvikle en laserdynamikkmodell som kan gjenkjenne og skrubbe ut enhver drift i gyroskopets avlesninger.

Optisk gyroskop på en brikke kan oppdage jordens rotasjon

Nå, etter flere tiår med hardt arbeid, kontrollerer teamets instrument alle fem av disse faktorene samtidig – slik at det kan overvåke jordens rotasjonshastighet til en oppløsning på bare noen få millisekunder over 120 dager.

Etter å ha passert denne imponerende milepælen, er Schreibers team nå i stand til å spore variasjoner i lengden på dagen både kontinuerlig og sanntid. Dette kan bidra til å gi dypere innsikt i hvordan den solide jorden utveksler momentum med luft, vann og is på overflaten.

Ser vi lenger fremover, tar forskerne nå sikte på å utvide stabiliteten til gyroskopet ytterligere. "Dette vil gjøre oss i stand til å fange den sesongmessige effekten av disse momentumoverføringene," sier Schreiber. "For øyeblikket kan vi bare se på de fremtredende signalene med en periode på omtrent 14 dager, så det er fortsatt en rekke utfordringer foran oss."

Forskningen er beskrevet i Nature Photonics.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/laser-gyroscope-measures-tiny-fluctuations-in-earths-rotation/