Ученые провели наиболее точное измерение вращения Земли

Исследователи усовершенствовали кольцевой лазер обсерватории Ветцелль таким образом, чтобы он мог предоставлять ежедневные текущие данные о вращении Земли, что до сих пор было невозможно.  При изменении кольцевой лазерной системы команда уделяла приоритетное внимание поиску оптимального баланса между размерами и механической стабильностью, поскольку чем больше такое устройство, тем более чувствительные измерения оно может производить. Правда, чтобы добиться больших размеров системы, пришлось незначительно уступить в показателях стабильности и, следовательно, точности.

Другой проблемой была симметрия двух противоположных лазерных лучей, которая лежит в основе системы Веттцелля. Точное измерение возможно только в том случае, если формы сигналов двух встречных лазерных лучей практически идентичны. Однако устройство сделано таким образом, что определенная доля асимметрии присутствует всегда. В течение четырех лет геодезисты использовали теоретическую модель лазерных колебаний, чтобы зафиксировать эти систематические эффекты в течение длительного периода времени и вычесть их из будущих результатов измерений.

Устройство может использовать этот новый корректирующий алгоритм для измерения вращения Земли с точностью до 9 знаков после запятой, что соответствует доле миллисекунды в сутки. С точки зрения лазерных лучей это эквивалентно неопределенности, начинающейся только с 20-го знака после запятой частоты света и стабильной в течение нескольких месяцев.

При вращении Земли вокруг своей оси ее скорость не всегда постоянна – она может незначительно меняться. Не совсем статична и ось, вокруг которой вращается наша планета. Так происходит потому, что наша планета не полностью твердая, а состоит из различных составных частей – как твердых, так и жидких. Эти изменения массы ускоряют или тормозят вращение планеты, но заметить это можно только с помощью измерительных систем, таких как кольцевой лазер обсерватории Ветцелль.

«Колебания вращения важны не только для астрономии. Они также необходимы для создания точных климатических моделей и лучшего понимания погодных явлений, таких как Эль-Ниньо. Чем точнее данные, тем точнее прогнозы», - пояснил руководитель исследования Ульрих Шрайбер.

Благодаря усовершенствованию, устройство может измерять вращения Земли с точностью до 9 знаков после запятой, что соответствует доле миллисекунды в сутки. С точки зрения лазерных лучей это эквивалентно неопределенности, которая начинается с 20-го знака после запятой частоты света и стабильности в течение нескольких месяцев. В целом, наблюдаемые колебания Земли достигали значений в целых 6 миллисекунд примерно за две недели. Новая технология лазера также сделала возможными значительно более короткие периоды измерений. Недавно разработанные корректирующие программы позволяют команде собирать данные каждые три часа.

«Такие высокие уровни временного разрешения – абсолютно новые для автономных кольцевых лазеров. В отличие от других систем, лазер функционирует полностью независимо и не требует ориентиров в пространстве. В обычных системах эти ориентиры создаются путем наблюдения за звездами или с использованием спутниковых данных», - сказал Урс Хугентоблер из Мюнхенского технического университета.

Данные, полученные независимо от наблюдения за звездами, могут помочь выявить и компенсировать систематические ошибки в других методах измерений. Использование различных методов помогает сделать измерения наиболее точными и тщательными. В будущем ученые планируют продолжать совершенствовать систему, что позволит сократить периоды измерений еще больше.

Кольцевые лазеры состоят из замкнутого квадратного луча с четырьмя зеркалами, полностью заключенными в единый корпус, называемый резонатором. Это предохраняет длину пути от изменения из-за колебаний температуры. Газовая смесь гелий/неон внутри резонатора обеспечивает прохождение лазерного луча по часовой стрелке и против нее. Без движения Земли свет проходил бы одинаковое расстояние в обоих направлениях. Но поскольку устройство движется вместе с Землей, расстояние для одного из лазерных лучей короче, поскольку вращение Земли перемещает зеркала ближе к лучу. Соответственно, в противоположном направлении свет проходит большее расстояние. Этот эффект создает разницу в частотах двух световых волн. Чем выше скорость, с которой вращается Земля, тем больше разница между двумя оптическими частотами. На экваторе Земля поворачивается на 15 градусов к востоку каждый час и генерирует сигнал частотой 348,5 Гц.

Каждая сторона кольцевого лазера в обсерватории в Ветцелле имеет длину четыре метра. Затем эта конструкция крепится к прочной бетонной колонне, которая опирается на твердую породу земной коры на глубине около шести метров. Это гарантирует, что вращение Земли – единственный фактор, который влияет на лазерные лучи, без каких-либо помех. Конструкция защищена герметичной камерой, которая компенсирует изменения давления воздуха или желаемой температуры в 12 градусов по Цельсию. На разработку измерительной системы ушло почти 20 лет исследований.