Лазерний гіроскоп вимірює крихітні коливання обертання Землі – Physics World

Після 30 років копіткої розробки дослідники з Німеччини та Нової Зеландії представили лазерний гіроскоп, який може відстежувати коливання обертання Землі майже в реальному часі з точністю до кількох мілісекунд. Техніка набагато простіша, ніж сучасні методи, і може забезпечити подальше уявлення про явища, які спричиняють коливання, наприклад, зміни в океанських течіях.

Земля обертається один раз за один день, але швидкість і напрямок обертання нашої планети незначні коливання. Деякі з цих коливань добре вивчені – наприклад, коливання, спричинені приливними силами Місяця та Сонця.

Інші крихітні флуктуації недостатньо вивчені, включно з тими, що пов’язані з обміном імпульсом між твердою Землею та океанами, атмосферою та крижаними покривами. Ці ефекти можуть виникати внаслідок кліматичних подій, таких як південне коливання Ель-Ніньо, яке змінює океанські течії. У результаті вимірювання коливань обертання Землі може пролити світло на важливі процеси в атмосфері.

Комбіновані вимірювання

Більшість досліджень обертання передбачає поєднання даних глобальних супутникових навігаційних систем; дуже тривалі базові радіоастрономічні спостереження квазарів; і лазерна дальність. Через складність поєднання цих методик можна проводити лише одне вимірювання на день.

Тепер команда на чолі з Ульріх Шрайбер в Технічному університеті Мюнхена створив лазерний гіроскоп, який може вимірювати крихітні коливання майже в реальному часі. Більше того, їх інструмент може поміститися у велику кімнату.

У його серці знаходиться оптична порожнина, яка спрямовує світло навколо квадратної траєкторії довжиною 16 м. Пара лазерних променів направляється навколо порожнини в протилежних напрямках, утворюючи кільцевий лазерний гіроскоп. Це працює за принципом, що обертання гіроскопа впливає на інтерференційну картину, яка створюється, коли два промені поєднуються на детекторі. Такі гіроскопи використовуються в бортових інерціальних навігаційних системах деяких літаків і підводних човнів.

Підвальна лабораторія

«На відміну від інших методів [для вимірювання обертання Землі], наш кільцевий лазер є автономним і може розміститися в нашій підвальній лабораторії, дозволяючи нам миттєво зчитувати обертання Землі майже в режимі реального часу», — пояснює Шрайбер. «Тепер, після 30 років експериментальних зусиль, нам вдалося відновити цікавий сигнал».

Щоб досягти цієї точки, команді потрібно було точно налаштувати п’ять ключових аспектів роботи лазерного гіроскопа. По-перше, прилад мав бути достатньо чутливим, щоб розпізнавати такі незначні відхилення, як 3 частки на мільярд швидкості обертання Землі. Фактично, це було одне з найпростіших завдань, з якими вони зіткнулися, і його можна було подолати, просто зробивши гіроскоп довжиною 16 метрів.

З цього моменту завдання команди лише ускладнилося. «Датчик мав бути надзвичайно стабільним», — сказав Шрайбер про друге завдання. «Ми не можемо дозволити, щоб він почав дрейфувати, тому що навіть найменша відсутність стабільності створить явний сигнал, який повністю знітить наші зусилля. Найважче було досягти стабільності».

Ретельне виправлення помилок

Третє завдання, яке вирішила команда, полягало в тому, як впоратися з помилками, викликаними зміною орієнтації осі обертання Землі. Вони були вирішені за допомогою складного методу виправлення помилок.

«Наступна проблема полягає в тому, що у нас є лише один компонент гіроскопа, але три просторові напрямки», — продовжує Шрайбер. «Це означає, що нам потрібно відстежувати нахил нашого інструменту до рівня 3 нрад, що є крихітним, крихітним кутом. Зміна орієнтації призводить до зміни проекції вектора обертання Землі, що є нічим іншим, як дрейфом, і це є помилковим сигналом».

Нарешті, подвійні лазерні промені гіроскопа не працюють повністю незалежно один від одного. Це означає, що вимірювання гіроскопа можуть дрейфувати в довгостроковій перспективі. Щоб протистояти цій проблемі, команда витратила роки на розробку моделі лазерної динаміки, яка може розпізнавати та усувати будь-який дрейф у показаннях гіроскопа.

Оптичний гіроскоп на чіпі може визначати обертання Землі

Тепер, після десятиліть наполегливої ​​роботи, інструмент команди контролює всі п’ять цих факторів одночасно, що дозволяє контролювати швидкість обертання Землі з роздільною здатністю всього в кілька мілісекунд протягом 120 днів.

Пройшовши цей вражаючий рубіж, команда Шрайбера тепер може відстежувати коливання тривалості дня як безперервно, так і в реальному часі. Це може допомогти глибше зрозуміти, як тверда Земля обмінюється імпульсом з повітрям, водою та льодом на її поверхні.

Дивлячись у майбутнє, тепер дослідники прагнуть ще більше розширити стабільність свого гіроскопа. «Це дозволить нам вловити сезонний ефект цих перенесень імпульсу», — каже Шрайбер. «На даний момент ми можемо дивитися лише на помітні сигнали з періодом приблизно 14 днів, тому попереду нас чекає низка проблем».

Дослідження описано в Природа Фотоніка.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/laser-gyroscope-measures-tiny-fluctuations-in-earths-rotation/