Példátlan napi mérések ábrázolják a Föld forgását

A Müncheni Műszaki Egyetem (TUM) tudósai jelentős előrelépést értek el a Föld forgásának példátlan pontosságú mérésében. A Wettzell Geodéziai Obszervatórium gyűrűs lézere ma már példátlan minőségű adatrögzítésre használható bárhol a világon. Ezek a mérések kulcsfontosságúak a Föld űrbeli helyzetének meghatározásában, elősegítik az éghajlatkutatást és növelik az éghajlati modellek megbízhatóságát.

Fejlett gyűrűs lézer technológia

Szeretnél egy gyors lépést lemenni, és megnézni, milyen gyorsan forgott a Föld az elmúlt néhány órában? Most megteheti a Wettzell Geodéziai Obszervatóriumban. A TUM kutatói továbbfejlesztették a gyűrűlézert, hogy napi aktuális adatokat tudjon szolgáltatni, ami még nem volt lehetséges összehasonlítható minőségi szinten.

Mit mér pontosan a gyűrűs lézer? Az űrben való utazása során a Föld kissé változó sebességgel forog a tengelye körül. Ráadásul a tengely, amely körül a bolygó forog, nincs teljesen rögzített, enyhén oszcillál. Ez azért van, mert bolygónk nem teljesen szilárd, hanem különböző részekből áll, néhány szilárd és néhány folyékony részből. Tehát maga a Föld belseje állandó mozgásban van. Ezek a tömegeltolódások felgyorsítják vagy lelassítják a bolygó forgását, a különbségek olyan mérőrendszerek segítségével érzékelhetők, mint a TUM gyűrűs lézer.

A Wettzell gyűrűs lézerét a kezdetek óta folyamatosan fejlesztik. Köszönetnyilvánítás: Astrid Eckert/Tom

„A keringés ingadozása nem csak a csillagászat szempontjából fontos, hanem sürgősen szükségünk van rájuk a pontos éghajlati modellek létrehozásához és az időjárási jelenségek, például az El Niño jobb megértéséhez. Minél pontosabbak az adatok, annál pontosabbak lesznek az adatok” – mondja Ulrich Schreiber professzor. , aki a TUM Obszervatóriumban vezette a projektet Az előrejelzések pontossága nőtt.

Technikai fejlesztések és kihívások

A gyűrűs lézerrendszer javítása során a csapat a méret és a mechanikai stabilitás közötti jó egyensúly megtalálását helyezte előtérbe, mivel minél nagyobb ez az eszköz, annál érzékenyebbek a mérések. A méret azonban kompromisszumot jelent a stabilitás és ezáltal a pontosság tekintetében.

Egy másik kihívás a két egymással szemben lévő lézersugár közötti szimmetria volt, amely Wetzel rendszerének szíve. Pontos mérés csak akkor végezhető el, ha a két ellentétesen terjedő lézersugár hullámformája közel azonos. Az eszköz kialakítása azonban azt jelenti, hogy bizonyos mértékű aszimmetria mindig jelen van. Az elmúlt négy évben a geodéziai tudósok a lézerrezgések elméleti modelljét használták fel, hogy sikeresen rögzítsék ezeket a szisztematikus hatásokat, olyan mértékben, hogy hosszú időn keresztül pontosan kiszámíthatók, és így kiküszöbölhetők a mérésekből.

Jobb pontosság és alkalmazás

A készülék ezzel az új korrekciós algoritmussal akár 9 tizedesjegy pontossággal mérheti a Föld forgását, ami napi ezredmásodperc töredékének felel meg. A lézerek esetében ez a fényfrekvencia 20. tizedesjegyétől kezdődő bizonytalanságnak felel meg, és több hónapig stabil. Általában a megfigyelt fel-le ingadozások elérték a 6 ms-os értéket körülbelül 2 hét alatt.

A lézerek fejlesztése mára sokkal rövidebbé tette a mérési intervallumokat. Az újonnan kifejlesztett javítószoftver lehetővé teszi a csapat számára, hogy három óránként rögzítse az aktuális adatokat. „A földtudományokban az ilyen magas időfelbontás teljesen új az autonóm gyűrűs lézereknél” – mondja Urs Hugentobler, a TUM műholdgeodéziai professzora. „Más rendszerekkel ellentétben a lézer teljesen autonóm módon működik, és nem igényel referenciapontokat. Hagyományos rendszerekben „Ezek a referenciapontok csillagok megfigyelésével vagy műholdadatok felhasználásával jönnek létre. De függetlenek vagyunk ettől a dologtól, és nagyon pontosak is. A csillagok megfigyelésétől függetlenül rögzített adatok segíthetnek azonosítani és kompenzálni a szisztematikus hibákat máshol. mérési módszerek.” Különféle módszerek alkalmazása segít a munka különösen pontossá tételében, különösen akkor, ha Pontosság A követelmények magasak, akárcsak a gyűrűs lézereknél. A rendszer további fejlesztéseit tervezik, amelyek rövidebb mérési periódusokat tesznek lehetővé a jövőben.

A gyűrűs lézerek megértése

A gyűrűs lézerek zárt négyzet alakú sugárútból állnak, négy tükörrel, amelyeket teljesen körülvesz egy Ceran típusú üvegkerámia test, amelyet rezonátornak neveznek. Ez megakadályozza, hogy a hőmérséklet-ingadozások miatt megváltozzon az úthossz. A rezonátor belsejében található hélium/neon gázkeverék két lézersugár gerjesztését teszi lehetővé, az egyik az óramutató járásával megegyező, a másik az óramutató járásával ellentétes irányban.

A Föld mozgása nélkül a fény mindkét irányban ugyanazt a távolságot tenné meg. De mivel a készülék együtt mozog a Földdel, így az egyik lézersugár távolsága kisebb, mert a Föld forgása közelebb hozza a tükröket a sugárhoz. Az ellenkező irányban a fény hasonló hosszabb utat tesz meg. Ez a hatás különbséget hoz létre a két fényhullám frekvenciájában, amelyek szuperpozíciója nagyon pontosan mérhető ritmikus hangot generál. Minél gyorsabban forog a Föld, annál nagyobb a különbség a két optikai frekvencia között. Az Egyenlítőnél a Föld óránként 15 fokos szöget zár be kelet felé. Ez 348,5 Hz-es jelet hoz létre a TUM-ban. A naphosszúság ingadozása 1-3 milliomod hertz (1-3 mikroHz) nagyságrendben jelentkezik.

Robusztus és pontos infrastruktúra

A wettzelli obszervatórium alagsorában található lézergyűrű mindkét oldala négy méter hosszú. Ezt a szerkezetet ezután egy masszív betonoszlopra szerelik fel, amely a földkéreg szilárd alapján támaszkodik körülbelül hat méter mélységben. Ez biztosítja, hogy a Föld forgása legyen az egyetlen olyan tényező, amely befolyásolja a lézersugarakat, és kizár más környezeti tényezőket. A szerkezetet túlnyomásos kamra védi, amely automatikusan kompenzálja a légnyomás vagy a szükséges 12°C-os hőmérséklet változásait. Ezen befolyásoló tényezők csökkentése érdekében a laboratórium öt méter mélyen egy mesterséges domb alatt található. A mérési rendszer kidolgozása közel 20 éves kutatómunkát igényelt.

Hivatkozás: „A Föld forgási sebességének változásai gyűrűs lézeres interferométerrel mérve”, K. Ulrich Schreiber, Jan Coudet, Urs Hugentobler, Thomas Klügel és John Paul R. Wales, 2023. szeptember 18. Természetfotonika.
doi: 10.1038/s41566-023-01286-x