Лазерный гироскоп измеряет крошечные колебания вращения Земли

После 30 лет кропотливых разработок исследователи из Германии и Новой Зеландии представили лазерный гироскоп, который может отслеживать колебания вращения Земли почти в реальном времени с точностью до нескольких миллисекунд. Этот метод намного проще, чем нынешние методы, и может дать дальнейшее понимание явлений, вызывающих колебания, таких как сдвиги океанских течений.

Земля вращается один раз за сутки, но существуют небольшие колебания скорости и направления вращения нашей планеты. Некоторые из этих колебаний хорошо изучены – например, вызванные приливными силами Луны и Солнца.

Другие крошечные колебания недостаточно изучены, в том числе те, которые связаны с обменом импульсом между твердой Землей и океанами, атмосферой и ледяными щитами. Эти эффекты могут возникнуть в результате климатических явлений, таких как южное колебание Эль-Ниньо, которые изменяют океанские течения. В результате измерение колебаний вращения Земли может пролить свет на важные процессы в атмосфере.

Комбинированные измерения

Большинство исследований вращения включают объединение данных глобальных спутниковых навигационных систем; очень длительные базовые радиоастрономические наблюдения квазаров; и лазерная локация. Из-за сложности комбинирования этих методов в день можно проводить только одно измерение.

Теперь команда под руководством Ульрих Шрайбер в Техническом университете Мюнхена создали лазерный гироскоп, который может измерять крошечные колебания практически в реальном времени. Более того, их инструмент может поместиться в большой комнате.

В его основе находится оптический резонатор, который направляет свет по квадратной траектории длиной 16 метров. Пара лазерных лучей направляется вокруг полости в противоположных направлениях, образуя кольцевой лазерный гироскоп. Это работает по принципу, что вращение гироскопа влияет на интерференционную картину, которая создается, когда два луча объединяются в детекторе. Такие гироскопы используются в бортовых инерциальных навигационных системах некоторых самолетов и подводных лодок.

Подвальная лаборатория

«В отличие от других методов [измерения вращения Земли] наш кольцевой лазер является автономным и может поместиться в нашей подвальной лаборатории, что позволяет нам мгновенно считывать вращение Земли почти в реальном времени», — объясняет Шрайбер. «Теперь, после 30 лет экспериментальных усилий, нам удалось восстановить интересующий сигнал».

Чтобы достичь этой точки, команде необходимо было точно настроить пять ключевых аспектов работы лазерного гироскопа. Во-первых, прибор должен был быть достаточно чувствительным, чтобы разрешать такие незначительные изменения, как 3 миллиардные доли скорости вращения Земли. Фактически, это была одна из самых простых задач, с которыми они столкнулись, и ее можно было решить, просто сделав гироскоп длиной 16 метров.

С этого момента задача команды только усложнилась. «Датчик должен был быть чрезвычайно стабильным», — сказал Шрайбер о второй задаче. «Мы не можем позволить этому дрейфовать, потому что даже малейшее отсутствие стабильности создаст видимый сигнал, который полностью заглушит наши усилия. Стабильность оказалась труднее всего достичь».

Тщательное исправление ошибок

Третья задача, которую решала команда, заключалась в том, как справиться с ошибками, вызванными различной ориентацией оси вращения Земли. Эти проблемы были устранены с использованием тщательно продуманного метода исправления ошибок.

«Следующая проблема заключается в том, что у нас есть только один гироскопический компонент, но три пространственных направления», — продолжает Шрайбер. «Это означает, что нам нужно отслеживать наклон нашего инструмента до уровня 3 нрад, что представляет собой крошечный, крошечный угол. Изменение ориентации приводит к изменению проекции вектора вращения Земли, что является ничем иным, как дрейфом и является ложным сигналом».

Наконец, двойные лазерные лучи гироскопа не работают полностью независимо друг от друга. Это означает, что измерения гироскопа могут смещаться в долгосрочной перспективе. Чтобы решить эту проблему, команда потратила годы на разработку модели лазерной динамики, которая может распознавать и устранять любые отклонения в показаниях гироскопа.

Оптический гироскоп на чипе может обнаружить вращение Земли

Теперь, после десятилетий напряженной работы, инструмент команды контролирует все пять этих факторов одновременно, что позволяет ему отслеживать скорость вращения Земли с разрешением всего в несколько миллисекунд в течение 120 дней.

Преодолев этот впечатляющий рубеж, команда Шрайбера теперь может отслеживать изменения продолжительности дня как непрерывно, так и в реальном времени. Это может помочь глубже понять, как твердая Земля обменивается импульсом с воздухом, водой и льдом на своей поверхности.

Заглядывая в будущее, исследователи теперь стремятся еще больше повысить стабильность своего гироскопа. «Это позволит нам уловить сезонный эффект этой передачи импульса», — говорит Шрайбер. «На данный момент мы можем рассматривать только заметные сигналы с периодом примерно 14 дней, поэтому впереди нас еще ждет ряд проблем».

Исследование описано в Nature Photonics.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/laser-gyroscope-measures-tiny-fluctuations-in-earths-rotation/