Кольцевой лазер в Ветцелле постоянно совершенствовался с момента его ввода в эксплуатацию. Фото: Технический университет Мюнхена.
Исследователям из Технического университета Мюнхена (TUM) удалось измерить вращение Земли более точно, чем когда-либо прежде. Кольцевой лазер в Геодезической обсерватории Веттцелла теперь можно использовать для сбора данных на уровне качества, непревзойденном нигде в мире. Эти измерения будут использованы для определения положения Земли в космосе, принесут пользу исследованиям климата и сделают климатические модели более надежными.
Хотите спуститься в подвал и посмотреть, как быстро вращается Земля за последние несколько часов? Теперь вы можете это сделать в Геодезической обсерватории Ветцель. Исследователи ТУМ улучшили тамошний кольцевой лазер, чтобы он мог предоставлять ежедневные текущие данные, что до сих пор было невозможно с сопоставимым уровнем качества.
Что именно измеряет кольцевой лазер? Во время своего путешествия в космосе Земля вращается вокруг своей оси со слегка меняющейся скоростью. Кроме того, ось, вокруг которой вращается планета, не совсем статична, она немного колеблется. Это потому, что наша планета не является полностью твердой, а состоит из различных составных частей: твердых и жидких. Итак, недра самой Земли постоянно находятся в движении. Эти изменения массы ускоряют или тормозят вращение планеты, различия, которые можно обнаружить с помощью измерительных систем, таких как кольцевой лазер TUM.
«Колебания вращения важны не только для астрономии, они также крайне необходимы нам для создания точных моделей климата и для лучшего понимания погодных явлений, таких как Эль-Ниньо. И чем точнее данные, тем точнее прогнозы», — говорит профессор Ульрих Шрайбер. , который руководил проектом в Обсерватории ТУМ.
Переработаны датчики и корректирующий алгоритм
При обновлении кольцевой лазерной системы команда уделяла приоритетное внимание поиску хорошего баланса между размером и механической стабильностью, поскольку чем больше такое устройство, тем более чувствительные измерения оно может выполнять. Однако размер означает компромисс с точки зрения стабильности и, следовательно, точности.
Еще одной проблемой была симметрия двух противоположных лазерных лучей — сердца системы Веттцелла. Точное измерение возможно только в том случае, если формы двух встречных лазерных лучей практически идентичны. Однако конструкция устройства означает, что определенная асимметрия всегда присутствует.
За последние четыре года геодезисты использовали теоретическую модель лазерных колебаний, чтобы успешно уловить эти систематические эффекты до такой степени, что их можно точно рассчитать в течение длительного периода времени и, таким образом, можно исключить из измерений.
Измерения устройства стали значительно точнее
Устройство может использовать этот новый корректирующий алгоритм для измерения вращения Земли с точностью до 9 десятичных знаков, что соответствует доле миллисекунды в день. С точки зрения лазерных лучей это эквивалентно неопределенности, начинающейся всего с 20-го десятичного знака частоты света и стабильной в течение нескольких месяцев.
В целом, наблюдаемые колебания вверх и вниз достигли значений целых 6 миллисекунд примерно за две недели.
Усовершенствования лазера теперь также позволили значительно сократить периоды измерений. Недавно разработанные корректирующие программы позволяют команде собирать текущие данные каждые три часа.
Урс Хугентоблер, профессор спутниковой геодезии в ТУМ, говорит: «В науках о Земле такие высокие уровни временного разрешения являются абсолютно новыми для автономных кольцевых лазеров. В отличие от других систем, лазер работает полностью независимо и не требует опорных точек в пространстве. В обычных системах эти ориентиры создаются путем наблюдения за звездами или использования спутниковых данных. Но мы независимы от подобных вещей и к тому же чрезвычайно точны».
Данные, полученные независимо от наблюдений за звездами, могут помочь выявить и компенсировать систематические ошибки в других методах измерений. Использование различных методов помогает сделать работу особенно тщательной, особенно когда требования к точности высоки, как в случае с кольцевым лазером. В будущем планируется дальнейшее усовершенствование системы, которое позволит сократить периоды измерений.
Кольцевые лазеры измеряют интерференцию между двумя лазерными лучами
Кольцевые лазеры состоят из замкнутого квадратного луча с четырьмя зеркалами, полностью заключенными в определенный корпус, называемый резонатором. Это предотвращает изменение длины пути из-за колебаний температуры. Газовая смесь гелия и неона внутри резонатора обеспечивает возбуждение лазерного луча: один по часовой стрелке, другой против часовой стрелки.
Без движения Земли свет путешествовал бы на одинаковое расстояние в обоих направлениях. Но поскольку аппарат движется вместе с Землей, расстояние для одного из лазерных лучей короче, поскольку вращение Земли приближает зеркала к лучу. В противоположном направлении свет проходит соответственно большее расстояние.
Этот эффект создает разницу в частотах двух световых волн, суперпозиция которых создает тактовую ноту, которую можно очень точно измерить. Чем выше скорость вращения Земли, тем больше разница между двумя оптическими частотами. На экваторе Земля каждый час поворачивается на 15 градусов на восток. При этом в устройстве ТУМ генерируется сигнал частотой 348,5 Гц. Колебания продолжительности суток проявляются величинами от 1 до 3 миллионных Гц (1–3 микрогерца).
Каждая сторона кольцевого лазера в подвале обсерватории в Ветцелле имеет длину четыре метра. Затем эта конструкция крепится к прочной бетонной колонне, которая опирается на твердую основу земной коры на глубине около шести метров. Это гарантирует, что вращение Земли является единственным фактором, влияющим на лазерные лучи, и исключает другие факторы окружающей среды.
Конструкция защищена герметичной камерой, которая компенсирует изменения давления воздуха или желаемой температуры в 12 градусов по Цельсию и автоматически компенсирует эти изменения. Чтобы минимизировать подобные факторы влияния, лаборатория расположена на глубине пяти метров под искусственным холмом. На разработку измерительной системы ушло почти 20 лет исследований.
Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.
Информация от: Техническим университетом Мюнхена.
