ไจโรสโคปเลเซอร์วัดความผันผวนเล็กน้อยในการหมุนของโลก - โลกฟิสิกส์

หลังจากการพัฒนาอย่างอุตสาหะเป็นเวลา 30 ปี นักวิจัยในเยอรมนีและนิวซีแลนด์ได้เปิดตัวเครื่องวัดการหมุนวนแบบเลเซอร์ที่สามารถติดตามความผันผวนของการหมุนของโลกในเวลาใกล้เคียงเรียลไทม์และแม่นยำถึงหลายมิลลิวินาที เทคนิคนี้ง่ายกว่าวิธีการปัจจุบันมาก และสามารถให้ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่ทำให้เกิดความผันผวน เช่น การเปลี่ยนแปลงของกระแสน้ำในมหาสมุทร

โลกหมุนรอบตัวเองวันละครั้ง แต่มีอัตราและทิศทางการหมุนของโลกมีความผันผวนเล็กน้อย ความผันผวนบางประการเหล่านี้เป็นที่เข้าใจกันดี เช่น ความผันผวนที่เกิดจากแรงน้ำขึ้นน้ำลงของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์

ความผันผวนเล็กๆ น้อยๆ อื่นๆ ยังไม่เป็นที่เข้าใจ รวมถึงสิ่งที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมระหว่างโลกที่เป็นของแข็งกับมหาสมุทร ชั้นบรรยากาศ และพืดน้ำแข็ง ผลกระทบเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้จากเหตุการณ์ทางสภาพอากาศ เช่น การผันผวนของเอลนีโญทางตอนใต้ ซึ่งทำให้กระแสน้ำในมหาสมุทรเปลี่ยนแปลง ผลก็คือ การวัดความผันผวนของการหมุนรอบโลกอาจทำให้กระจ่างเกี่ยวกับกระบวนการสำคัญในชั้นบรรยากาศได้

การวัดแบบรวม

การศึกษาการหมุนรอบส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการรวมข้อมูลจากระบบนำทางด้วยดาวเทียมทั่วโลก การสังเกตการณ์ควาซาร์ทางวิทยุและดาราศาสตร์พื้นฐานที่ยาวนานมาก และระยะเลเซอร์ เนื่องจากความซับซ้อนในการรวมเทคนิคเหล่านี้ จึงสามารถวัดได้เพียงหนึ่งครั้งต่อวัน

ตอนนี้มีทีมนำโดย อุลริช ชไรเบอร์ ที่มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิกได้สร้างเครื่องวัดการหมุนวนแบบเลเซอร์ที่สามารถวัดความผันผวนเล็กๆ น้อยๆ ได้ในเวลาใกล้เคียงเรียลไทม์ ยิ่งไปกว่านั้น เครื่องดนตรียังสามารถวางในห้องขนาดใหญ่ได้

หัวใจของมันคือช่องแสงที่นำแสงไปรอบๆ ทางเดินสี่เหลี่ยมยาว 16 เมตร ลำแสงเลเซอร์คู่หนึ่งถูกส่งไปรอบๆ ช่องในทิศทางตรงกันข้าม ทำให้เกิดไจโรสโคปแบบวงแหวนเลเซอร์ ซึ่งทำงานบนหลักการที่ว่าการหมุนของไจโรสโคปส่งผลต่อรูปแบบการรบกวนที่เกิดขึ้นเมื่อลำแสงทั้งสองมารวมกันที่เครื่องตรวจจับ ไจโรสโคปดังกล่าวใช้ในระบบนำทางเฉื่อยบนเครื่องบินและเรือดำน้ำบางลำ

ห้องปฏิบัติการชั้นใต้ดิน

“ตรงกันข้ามกับเทคนิคอื่นๆ (สำหรับการวัดการหมุนของโลก) เลเซอร์วงแหวนของเรามีอยู่ในตัวเองและสามารถใส่ลงในห้องปฏิบัติการชั้นใต้ดินของเราได้ ช่วยให้เราอ่านการหมุนของโลกได้ทันทีเกือบจะแบบเรียลไทม์” ชไรเบอร์อธิบาย “หลังจากพยายามทดลองมาเป็นเวลา 30 ปี เราก็สามารถฟื้นสัญญาณความสนใจได้สำเร็จ”

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ทีมงานจำเป็นต้องปรับแต่งลักษณะสำคัญห้าประการของการทำงานของไจโรสโคปแบบเลเซอร์ ประการแรก เครื่องมือจะต้องมีความไวเพียงพอที่จะแก้ไขความแปรผันที่ละเอียดอ่อนเท่ากับ 3 ppb ของความเร็วการหมุนของโลก นี่เป็นหนึ่งในความท้าทายที่ง่ายที่สุดที่พวกเขาเผชิญ และสามารถเอาชนะได้ง่ายๆ ด้วยการสร้างไจโรสโคปให้ยาว 16 เมตร

จากนี้ไปงานของทีมก็ยิ่งยากขึ้นเท่านั้น “เซ็นเซอร์จำเป็นต้องมีความเสถียรอย่างยิ่ง” ชไรเบอร์กล่าวถึงความท้าทายประการที่สอง “เราไม่สามารถปล่อยให้มันเกิดการดริฟท์ได้ เพราะแม้แต่การขาดเสถียรภาพแม้แต่น้อยก็ยังสร้างสัญญาณที่ชัดเจน ซึ่งจะทำให้ความพยายามของเราจมหายไปโดยสิ้นเชิง ความมั่นคงเป็นส่วนที่ยากที่สุดในการบรรลุ”

แก้ไขข้อผิดพลาดอย่างละเอียด

ภารกิจที่สามที่ทีมจัดการคือวิธีจัดการกับข้อผิดพลาดที่เกิดจากการวางแนวที่แตกต่างกันของแกนหมุนของโลก สิ่งเหล่านี้ได้รับการแก้ไขแล้วโดยใช้วิธีแก้ไขข้อผิดพลาดที่ซับซ้อน

“ปัญหาต่อไปคือเรามีส่วนประกอบไจโรเพียงชิ้นเดียว แต่มีทิศทางเชิงพื้นที่สามทิศทาง” ชไรเบอร์กล่าวต่อ “ซึ่งหมายความว่าเราจำเป็นต้องติดตามความเอียงของเครื่องมือของเราจนถึงระดับ 3 nrad ซึ่งเป็นมุมเล็กๆ การเปลี่ยนแปลงการวางแนวทำให้เส้นโครงของเวกเตอร์การหมุนของโลกเปลี่ยนไป ซึ่งไม่ใช่อะไรอื่นนอกจากการเคลื่อนตัวและนั่นเป็นสัญญาณที่ผิดพลาด”

สุดท้าย ลำแสงเลเซอร์คู่ของไจโรสโคปไม่ทำงานโดยไม่แยกจากกันโดยสิ้นเชิง ซึ่งหมายความว่าการวัดของไจโรสโคปสามารถคลาดเคลื่อนได้ในระยะยาว เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมงานได้ใช้เวลาหลายปีในการพัฒนาแบบจำลองไดนามิกของเลเซอร์ที่สามารถจดจำและขจัดความคลาดเคลื่อนในการอ่านค่าของไจโรสโคป

ไจโรสโคปแบบออปติคัลบนชิปสามารถตรวจจับการหมุนของโลกได้

หลังจากทำงานหนักมาหลายทศวรรษ เครื่องมือของทีมควบคุมปัจจัยทั้ง 120 เหล่านี้ในเวลาเดียวกัน ทำให้สามารถตรวจสอบอัตราการหมุนของโลกด้วยความละเอียดเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีใน XNUMX วัน

หลังจากผ่านเหตุการณ์สำคัญที่น่าประทับใจนี้ไปแล้ว ทีมงานของ Schreiber ก็สามารถติดตามความแปรผันของความยาวของวันได้ทั้งแบบต่อเนื่องและแบบเรียลไทม์ สิ่งนี้สามารถช่วยให้ข้อมูลเชิงลึกว่าโลกแข็งแลกเปลี่ยนโมเมนตัมกับอากาศ น้ำ และน้ำแข็งบนพื้นผิวได้อย่างไร

เมื่อมองไปข้างหน้า ตอนนี้นักวิจัยตั้งเป้าที่จะขยายความเสถียรของไจโรสโคปให้ดียิ่งขึ้นไปอีก “สิ่งนี้จะช่วยให้เราสามารถจับผลกระทบตามฤดูกาลของการถ่ายโอนโมเมนตัมเหล่านี้” ชไรเบอร์กล่าว “ในขณะนี้ เราสามารถดูได้เฉพาะสัญญาณที่โดดเด่นในระยะเวลาประมาณ 14 วันเท่านั้น ดังนั้นจึงยังมีความท้าทายมากมายรออยู่ข้างหน้า”

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน Photonics ธรรมชาติ.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/laser-gyroscope-measures-tiny-fluctuations-in-earths-rotation/