Żyroskop laserowy mierzy drobne wahania obrotu Ziemi – Świat Fizyki

Po 30 latach żmudnych prac badacze z Niemiec i Nowej Zelandii zaprezentowali żyroskop laserowy, który może śledzić wahania obrotu Ziemi w czasie zbliżonym do rzeczywistego i z dokładnością do kilku milisekund. Technika ta jest znacznie prostsza niż obecne metody i może zapewnić lepszy wgląd w zjawiska powodujące wahania, takie jak zmiany prądów oceanicznych.

Ziemia obraca się raz w ciągu jednego dnia, ale występują niewielkie wahania w szybkości i kierunku obrotu naszej planety. Niektóre z tych fluktuacji są dobrze poznane – na przykład te spowodowane siłami pływowymi Księżyca i Słońca.

Inne drobne fluktuacje, w tym te związane z wymianą pędu pomiędzy stałą Ziemią a oceanami, atmosferą i pokrywami lodowymi, nie są dobrze poznane. Skutki te mogą wynikać ze zdarzeń klimatycznych, takich jak południowa oscylacja El Niño, która zmienia prądy oceaniczne. W rezultacie pomiar wahań obrotu Ziemi może rzucić światło na ważne procesy zachodzące w atmosferze.

Połączone pomiary

Większość badań rotacyjnych obejmuje łączenie danych z globalnych systemów nawigacji satelitarnej; bardzo długie bazowe obserwacje radioastronomiczne kwazarów; i zasięg laserowy. Ze względu na złożoność łączenia tych technik, dziennie można wykonać tylko jeden pomiar.

Teraz zespół na czele Ulricha Schreibera na Uniwersytecie Technicznym w Monachium stworzył żyroskop laserowy, który może mierzyć drobne wahania w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Co więcej, ich instrument zmieści się w dużym pomieszczeniu.

W jego sercu znajduje się wnęka optyczna, która kieruje światło po kwadratowej ścieżce o długości 16 m. Para wiązek laserowych jest wysyłana wokół wnęki w przeciwnych kierunkach, tworząc pierścieniowy żyroskop laserowy. Działa to na zasadzie, że obrót żyroskopu wpływa na wzór interferencji powstający, gdy dwie wiązki są połączone w detektorze. Takie żyroskopy są stosowane w pokładowych systemach nawigacji inercyjnej niektórych samolotów i łodzi podwodnych.

Laboratorium w piwnicy

„W przeciwieństwie do innych technik [pomiaru obrotu Ziemi] nasz laser pierścieniowy jest samowystarczalny i można go zmieścić w naszym laboratorium w piwnicy, umożliwiając nam natychmiastowy odczyt obrotu Ziemi niemal w czasie rzeczywistym” – wyjaśnia Schreiber. „Teraz, po 30 latach eksperymentów, udało nam się odzyskać interesujący sygnał”.

Aby osiągnąć ten punkt, zespół musiał dostroić pięć kluczowych aspektów działania żyroskopu laserowego. Po pierwsze, instrument musiał być wystarczająco czuły, aby wykryć zmiany tak subtelne, jak 3 ppb prędkości obrotowej Ziemi. W rzeczywistości było to jedno z najłatwiejszych wyzwań, przed którymi stanęli, a któremu można było sprostać, po prostu wykonując żyroskop o długości 16 m.

Od tego momentu zadanie zespołu stało się jeszcze trudniejsze. „Czujnik musiał być wyjątkowo stabilny” – powiedział Schreiber o drugim wyzwaniu. „Nie możemy pozwolić na dryf, ponieważ nawet najmniejszy brak stabilności wygenerowałby pozorny sygnał, który całkowicie zagłuszyłby nasz wysiłek. Najtrudniej było osiągnąć stabilność.”

Opracuj korekcję błędów

Trzecim zadaniem, przed którym stanął zespół, było radzenie sobie z błędami wynikającymi ze zmiennej orientacji osi obrotu Ziemi. Problemy naprawiono przy użyciu skomplikowanej metody korekcji błędów.

„Kolejnym problemem jest to, że mamy tylko jeden element żyroskopowy, ale trzy kierunki przestrzenne” – kontynuuje Schreiber. „Oznacza to, że musimy śledzić nachylenie naszego instrumentu do poziomu 3 nrad, co jest bardzo małym kątem. Zmiana orientacji powoduje zmianę rzutu wektora obrotu Ziemi, co jest niczym innym jak dryfem i jest fałszywym sygnałem.”

Wreszcie, podwójne wiązki lasera żyroskopu nie działają całkowicie niezależnie od siebie. Oznacza to, że pomiary żyroskopu mogą w dłuższej perspektywie ulegać wahaniom. Aby przeciwdziałać temu problemowi, zespół spędził lata na opracowywaniu modelu dynamiki lasera, który potrafi rozpoznać i usunąć wszelkie odchylenia w odczytach żyroskopu.

Żyroskop optyczny na chipie może wykryć obrót Ziemi

Teraz, po dziesięcioleciach ciężkiej pracy, instrument zespołu kontroluje jednocześnie wszystkie pięć czynników, umożliwiając monitorowanie tempa rotacji Ziemi z rozdzielczością zaledwie kilku milisekund w ciągu 120 dni.

Po przekroczeniu tego imponującego kamienia milowego zespół Schreibera może teraz śledzić zmiany w długości dnia w sposób ciągły i w czasie rzeczywistym. Może to pomóc w uzyskaniu głębszego wglądu w sposób, w jaki stała Ziemia wymienia pęd z powietrzem, wodą i lodem na swojej powierzchni.

Patrząc dalej w przyszłość, badacze zamierzają teraz jeszcze bardziej zwiększyć stabilność swojego żyroskopu. „Dzięki temu będziemy mogli uchwycić sezonowy efekt tych transferów dynamiki” – mówi Schreiber. „W tej chwili możemy patrzeć jedynie na najważniejsze sygnały z okresu około 14 dni, więc przed nami wciąż wiele wyzwań”.

Badania opisano w Nature Photonics.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/laser-gyroscope-measures-tiny-fluctuations-in-earths-rotation/