Istraživači sa Tehničkog univerziteta u Minhenu (TUM) uspeli su da izmere Zemljinu rotaciju preciznije nego ikada ranije. Prsten laser u Geodetskoj opservatoriji Vettzell sada može da se koristi za snimanje podataka na nivou kvaliteta nenadmašnog bilo gde u svetu. Merenja će se koristiti za određivanje položaja Zemlje u svemiru, koristi za istraživanje klime i učine klimatskim modelima pouzdanijim.
Hoćete li brzo da zakoračite u podrum i vidite koliko se brzo Zemlja okretala u poslednjih nekoliko sati? Sada možete u Geodetskoj opservatoriji Vettzell. Istraživači TUM-a su tamo poboljšali prstenasti laser tako da može da pruži dnevne trenutne podatke, što do sada nije bilo moguće na uporedivim nivoima kvaliteta.
Šta tačno meri prstenasti laser? Na svom putovanju kroz svemir, Zemlja rotira oko svoje ose malo promenljivom brzinom. Osim toga, osa oko koje se planeta okreće nije potpuno statična, ona se malo klati. To je zato što naša planeta nije potpuno čvrsta, već je sastavljena od različitih komponenti, nekih čvrstih, nekih tečnih. Dakle, unutrašnjost same Zemlje je stalno u pokretu. Ove promene mase ubrzavaju ili koče rotaciju planete, razlike koje se mogu otkriti korišćenjem mernih sistema kao što je TUM prstenast laser.
„Fluktuacije u rotaciji nisu važne samo za astronomiju, već su nam hitno potrebne i za kreiranje tačnih klimatskih modela i boljeg razumevanja vremenskih pojava poput El Ninja. I što su podaci precizniji, to su predviđanja tačnija“, kaže prof. Ulrih Šrajber. , koji je vodio projekat u Opservatoriji za TUM.
Prilikom remonta prstenastog laserskog sistema, tim je dao prioritet pronalaženju dobre ravnoteže između veličine i mehaničke stabilnosti, pošto što je veći takav uređaj, to su merenja koja može da izvrši osetljivija. Međutim, veličina znači kompromise u pogledu stabilnosti, a time i preciznosti.
Drugi izazov je bila simetrija dva suprotstavljena laserska zraka, srce Vettzell sistema. Tačno merenje je moguće samo kada su talasni oblici dva laserska zraka koji se suprotstavljaju skoro identični. Međutim, dizajn uređaja znači da je određena količina asimetrije uvek prisutna.
Tokom poslednje četiri godine, geodeti su koristili teorijski model za laserske oscilacije kako bi uspešno uhvatili ove sistematske efekte do te mere da se oni mogu precizno izračunati tokom dužeg vremenskog perioda i na taj način eliminisati iz merenja.
Uređaj može da koristi ovaj novi korektivni algoritam za merenje Zemljine rotacije precizno do 9 decimalnih mesta, što odgovara deliću milisekundi dnevno. Što se tiče laserskih zraka, to je ekvivalentno nesigurnosti koja počinje samo od 20. decimale frekvencije svetlosti i stabilno je nekoliko meseci.
Sve u svemu, uočene fluktuacije nagore i nadole dostigle su vrednosti od čak 6 milisekundi tokom otprilike dve nedelje.
Poboljšanja u laseru su sada omogućila i znatno kraće periode merenja. Novorazvijeni korektivni programi omogućavaju timu da hvata trenutne podatke svaka tri sata.
Urs Hugentobler, profesor satelitske geodezije na TUM-u, kaže: „U geonaukama, ovako visoki nivoi vremenske rezolucije su apsolutno novi za samostalne prstenaste lasere. Za razliku od drugih sistema, laser funkcioniše potpuno nezavisno i ne zahteva referentne tačke u prostoru. Sa konvencionalnim sistemima, ove referentne tačke se stvaraju posmatranjem zvezda ili korišćenjem satelitskih podataka. Ali mi smo nezavisni od te vrste stvari i takođe izuzetno precizni.“
Podaci prikupljeni nezavisno od posmatranja zvezda mogu pomoći da se identifikuju i kompenzuju sistematske greške u drugim metodama merenja. Korišćenje različitih metoda pomaže da rad bude posebno pedantan, posebno kada su zahtevi za preciznošću visoki, kao što je slučaj sa prstenastim laserom. U budućnosti se planira dalje unapređenje sistema, koje će omogućiti još kraće periode merenja.
Prstenasti laseri se sastoje od zatvorene, kvadratne putanje zraka sa četiri ogledala potpuno zatvorena u određenom telu, koje se naziva rezonator. Ovo sprečava da se dužina puta promeni zbog temperaturnih fluktuacija. Mešavina helijum/neon gasa unutar rezonatora omogućava pobudu laserskog zraka, jedan u smeru kazaljke na satu i jedan u suprotnom smeru kazaljke na satu.
Bez kretanja Zemlje, svetlost bi prešla istu udaljenost u oba smera. Ali pošto se uređaj kreće zajedno sa Zemljom, rastojanje za jedan od laserskih zraka je kraće, pošto Zemljina rotacija pomera ogledala bliže snopu. U suprotnom smeru, svetlost putuje odgovarajuću dužinu.
Ovaj efekat stvara razliku u frekvencijama dva svetlosna talasa čija superpozicija generiše ritam koji se može veoma precizno izmeriti. Što je veća brzina kojom se Zemlja okreće, veća je razlika između dve optičke frekvencije. Na ekvatoru, Zemlja se okreće za 15 stepeni ka istoku svakog sata. Ovo generiše signal od 348,5 Hz u TUM uređaju. Fluktuacije u dužini dana manifestuju se sa vrednostima od 1 do 3 milionitih dela Hz (1–3 mikroherca).
Svaka strana prstenastog lasera u podrumu Opservatorije u Vettzell-u meri četiri metra. Ova konstrukcija je zatim usidrena za čvrsti betonski stub, koji se oslanja na čvrstu podlogu Zemljine kore na dubini od oko šest metara. Ovo osigurava da je rotacija Zemlje jedini faktor koji utiče na laserske zrake i isključuje druge faktore okoline.
Konstrukcija je zaštićena komorom pod pritiskom, koja kompenzuje promene vazdušnog pritiska ili željene temperature od 12 stepeni Celzijusa i automatski kompenzuje te promene. Da bi se takvi uticajni faktori sveli na minimum, laboratorija se nalazi na dubini od pet metara ispod veštačkog brda. Skoro 20 godina istraživanja uloženo je u razvoj mernog sistema.
