Giroscópio a laser mede pequenas flutuações na rotação da Terra – Physics World

Giroscópio a laser mede pequenas flutuações na rotação da Terra – Physics World

Carimbo de data / hora: 6 de outubro de 2023, 12:25

laser de anel
Anel do porão: o giroscópio a laser. (Cortesia: K. Ulrich Schreiber et al/Nature Photonics)

Após 30 anos de desenvolvimento meticuloso, pesquisadores na Alemanha e na Nova Zelândia revelaram um giroscópio a laser que pode rastrear flutuações na rotação da Terra quase em tempo real e com precisão de vários milissegundos. A técnica é muito mais simples do que os métodos atuais e pode fornecer mais informações sobre os fenómenos que causam as flutuações – como as mudanças nas correntes oceânicas.

A Terra gira uma vez por dia, mas existem pequenas flutuações na taxa e na direção da rotação do nosso planeta. Algumas destas flutuações são bem compreendidas – por exemplo, aquelas causadas pelas forças das marés da Lua e do Sol.

Outras pequenas flutuações não são bem compreendidas, incluindo aquelas relacionadas com a troca de impulso entre a Terra sólida e os oceanos, a atmosfera e as camadas de gelo. Estes efeitos podem surgir de eventos climáticos como a oscilação sul do El Niño, que altera as correntes oceânicas. Como resultado, medir as flutuações na rotação da Terra poderia lançar luz sobre processos importantes na atmosfera.

Medições combinadas

A maioria dos estudos de rotação envolve a combinação de dados de sistemas globais de navegação por satélite; observações de radioastronomia de base muito longas de quasares; e alcance do laser. Devido à complexidade da combinação destas técnicas, apenas uma medição pode ser feita por dia.

Agora, uma equipe liderada por Ulrich Schreiber da Universidade Técnica de Munique criou um giroscópio a laser que pode medir as pequenas flutuações quase em tempo real. Além disso, seu instrumento cabe em uma sala grande.

No seu coração está uma cavidade óptica que guia a luz ao longo de um caminho quadrado de 16 m de comprimento. Um par de feixes de laser é enviado ao redor da cavidade em direções opostas, criando um giroscópio de laser em anel. Isto funciona com base no princípio de que uma rotação do giroscópio afeta o padrão de interferência criado quando os dois feixes são combinados em um detector. Esses giroscópios são usados ​​em sistemas de navegação inercial a bordo de algumas aeronaves e submarinos.

Laboratório no porão

“Em contraste com outras técnicas [para medir a rotação da Terra], o nosso laser em anel é autónomo e pode caber no nosso laboratório subterrâneo, permitindo-nos ler instantaneamente a rotação da Terra quase em tempo real”, explica Schreiber. “Agora, após 30 anos de esforço experimental, conseguimos recuperar o sinal de interesse.”

Para chegar a este ponto, a equipe precisou ajustar cinco aspectos principais da operação do giroscópio a laser. Primeiro, o instrumento precisava ser sensível o suficiente para resolver variações tão sutis quanto 3 ppb da velocidade de rotação da Terra. Na verdade, este foi um dos desafios mais fáceis que enfrentaram e poderia ser superado simplesmente fazendo o giroscópio com 16 m de comprimento.

A partir daqui, a tarefa da equipe só ficou mais difícil. “O sensor precisava ser extremamente estável”, disse Schreiber sobre o segundo desafio. “Não podemos permitir que desenvolva uma deriva porque mesmo a menor falta de estabilidade geraria um sinal aparente, que afogaria totalmente o nosso esforço. A estabilidade tem sido a parte mais difícil de alcançar.”

Elaborar correção de erros

A terceira tarefa que a equipe enfrentou foi como lidar com os erros introduzidos pela orientação variável do eixo de rotação da Terra. Eles foram resolvidos usando um método elaborado de correção de erros.

“O próximo problema é que temos apenas um único componente giroscópio, mas três direções espaciais”, continua Schreiber. “Isso significa que precisamos rastrear a inclinação do nosso instrumento até o nível de 3 nrad, que é um ângulo minúsculo. Uma mudança na orientação faz com que a projeção do vetor de rotação da Terra mude, o que nada mais é do que uma deriva e isso é um sinal falso.”

Finalmente, os feixes laser duplos do giroscópio não operam de forma totalmente independente um do outro. Isso significa que as medições do giroscópio podem variar no longo prazo. Para neutralizar este problema, a equipe passou anos desenvolvendo um modelo de dinâmica de laser que pode reconhecer e eliminar qualquer desvio nas leituras do giroscópio.

Agora, após décadas de trabalho árduo, o instrumento da equipa controla todos estes cinco factores ao mesmo tempo – permitindo-lhe monitorizar a taxa de rotação da Terra com uma resolução de apenas alguns milissegundos ao longo de 120 dias.

Tendo ultrapassado este marco impressionante, a equipe de Schreiber agora é capaz de rastrear variações na duração do dia de forma contínua e em tempo real. Isto poderia ajudar a fornecer informações mais profundas sobre como a Terra sólida troca impulso com o ar, a água e o gelo na sua superfície.

Olhando mais adiante, os pesquisadores pretendem agora ampliar ainda mais a estabilidade do seu giroscópio. “Isto permitir-nos-á captar o efeito sazonal destas transferências de impulso”, afirma Schreiber. “No momento, só podemos observar os sinais proeminentes com um período de aproximadamente 14 dias, portanto ainda temos uma série de desafios pela frente.”

A pesquisa é descrita em Nature Photonics.

Carimbo de hora:

Mais de Mundo da física