Lasergyroskop mäter små fluktuationer i jordens rotation – Physics World

Lasergyroskop mäter små fluktuationer i jordens rotation – Physics World

Tidsstämpel: 6 oktober 2023 12:25

Ringlaser
Källarring: lasergyroskopet. (Med tillstånd: K Ulrich Schreiber et al,/Naturfotonik)

Efter 30 år av mödosam utveckling har forskare i Tyskland och Nya Zeeland avslöjat ett lasergyroskop som kan spåra fluktuationer i jordens rotation i nästan realtid och exakt till flera millisekunder. Tekniken är mycket enklare än nuvarande metoder och skulle kunna ge ytterligare insikter om fenomen som orsakar fluktuationerna – som förskjutningar i havsströmmar.

Jorden roterar en gång på en dag, men det finns små fluktuationer i hastigheten och riktningen för vår planets rotation. Vissa av dessa fluktuationer är välkända – till exempel de som orsakas av månens och solens tidvattenkrafter.

Andra små fluktuationer är inte väl förstådda, inklusive de som är relaterade till utbytet av fart mellan den fasta jorden och haven, atmosfären och istäcken. Dessa effekter kan uppstå från klimathändelser som El Niños sydliga oscillation, som förändrar havsströmmarna. Som ett resultat kan mätning av fluktuationer i jordens rotation kasta ljus över viktiga processer i atmosfären.

Kombinerade mått

De flesta rotationsstudier involverar att kombinera data från globala satellitnavigeringssystem; mycket långa baslinjeradioastronomiobservationer av kvasarer; och laseravståndsmätning. På grund av komplexiteten i att kombinera dessa tekniker kan endast en mätning göras per dag.

Nu, ett team som leds av Ulrich Schreiber vid Tekniska universitetet i München har skapat ett lasergyroskop som kan mäta de små fluktuationerna i nästan realtid. Dessutom kan deras instrument passa in i ett stort rum.

I dess hjärta finns en optisk kavitet som leder ljus runt en fyrkantig bana som är 16 m lång. Ett par laserstrålar skickas runt kaviteten i motsatta riktningar och skapar ett ringlasergyroskop. Detta fungerar utifrån principen att en rotation av gyroskopet påverkar det interferensmönster som skapas när de två strålarna kombineras vid en detektor. Sådana gyroskop används i tröghetsnavigeringssystem ombord i vissa flygplan och ubåtar.

Källarlaboratorium

"I motsats till andra tekniker [för att mäta jordens rotation] är vår ringlaser fristående och kan passa in i vårt källarlaboratorium, vilket gör att vi omedelbart kan läsa av jordens rotation nästan i realtid," förklarar Schreiber. "Nu, efter 30 års experimentell ansträngning, har vi lyckats återställa signalen om intresse."

För att nå denna punkt behövde teamet finjustera fem nyckelaspekter av lasergyroskopets funktion. För det första behövde instrumentet vara tillräckligt känsligt för att lösa variationer så subtila som 3 ppb av jordens rotationshastighet. I själva verket var detta en av de enklaste utmaningarna de stod inför, och kunde övervinnas helt enkelt genom att göra gyroskopet 16 m långt.

Härifrån blev lagets uppgift bara svårare. "Sensorn behövde vara extremt stabil," sa Schreiber om den andra utmaningen. "Vi kan inte tillåta det att utveckla en drift eftersom även den minsta brist på stabilitet skulle generera en uppenbar signal, som skulle dränka vår ansträngning helt. Stabiliteten har varit den svåraste delen att uppnå.”

Utvecklad felkorrigering

Den tredje uppgiften som teamet tog sig an var hur man skulle hantera de fel som introducerades av den varierande orienteringen av jordens rotationsaxel. Dessa åtgärdades med hjälp av en utarbetad felkorrigeringsmetod.

"Nästa problem är att vi bara har en enda gyrokomponent, men tre rumsliga riktningar", fortsätter Schreiber. "Detta betyder att vi måste spåra lutningen på vårt instrument till nivån 3 nrad, vilket är en liten, liten vinkel. En förändring i orientering gör att projektionen av jordrotationsvektorn förändras, vilket inte är något annat än en drift och det är en falsk signal."

Slutligen fungerar inte gyroskopets dubbla laserstrålar helt oberoende av varandra. Det gör att gyroskopets mått kan glida på lång sikt. För att motverka detta problem har teamet ägnat flera år åt att utveckla en laserdynamikmodell som kan känna igen och skrubba bort all drift i gyroskopets avläsningar.

Nu, efter decennier av hårt arbete, styr teamets instrument alla dessa fem faktorer samtidigt – vilket gör att det kan övervaka jordens rotationshastighet till en upplösning på bara några millisekunder under 120 dagar.

Efter att ha passerat denna imponerande milstolpe kan Schreibers team nu spåra variationer i dagens längd både kontinuerligt och i realtid. Detta kan bidra till att ge djupare insikter om hur den fasta jorden utbyter fart med luft, vatten och is på sin yta.

När vi ser längre fram, siktar forskarna nu på att utöka stabiliteten för deras gyroskop ytterligare. "Detta kommer att göra det möjligt för oss att fånga säsongseffekten av dessa momentumöverföringar", säger Schreiber. "För tillfället kan vi bara titta på de framträdande signalerna med en period på ungefär 14 dagar, så det finns fortfarande ett antal utmaningar framför oss."

Forskningen beskrivs i Naturfotonik.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden