Кольцевой лазер: 20 лет исследований, чтобы создать самую точную систему измерения вращения Земли

Использование кольцевого лазера в обсерватории Ветцель позволило ученым получать информацию о вращении Земли с точностью до нескольких пикорадианов в сутки. Это дает возможность более точного определения скорости вращения Земли, которая изменяется из-за влияния таких факторов, как силы приливов, ветры и перемещение массы на планете.


Такие точные измерения скорости вращения нашей планеты могут быть полезными для различных научных и практических приложений. Они могут использоваться для уточнения глобальных моделей климата, предсказания приливов и атмосферных явлений, а также для коррекции систем навигации и времени.

Кольцевой лазер измеряет частотную разницу двух световых волн, которые проходят в противоположных направлениях через зеркала. Скорость вращения планеты влияет на эту разницу частот, и стабильность этой разницы позволяет определить скорость вращения Земли с необычайной точностью.

Основой кольцевых лазеров является замкнутый в квадрат луч и четыре зеркала, которые находятся в специальном корпусе, называемом резонатором. Такая конструкция исключает влияние температурных колебаний на длину пути. Резонатор содержит инертную неоново-гелиевую газовую смесь, которая используется для генерации луча. Один из лучей движется по часовой стрелке, а другой ему навстречу.

Если бы Земля была неподвижна, свету пришлось бы пройти одинаковые расстояния в обоих направлениях. Однако, кольцевой лазер учитывает воздействие вращения Земли. Вместе с движением планеты, оно приводит к сокращению расстояния, которое преодолевает один из лазерных лучей. В результате, свет проходит меньшее расстояние в одном направлении и большее — во встречном.

Это приводит к различной частоте двух световых волн, и их совмещение создает тактильный сигнал, который можно измерить с большой точностью. Скорость вращения Земли напрямую влияет на эту разницу частот. Например, на экваторе Земля каждый час поворачивается на 15 градусов на восток, что создает лазерный сигнал с частотой 348,5 Гц. Изменения в продолжительности суток проявляются в диапазоне от 1 до 3 микрогерц.

Кольцевой лазер имеет размеры 4 метра по каждой стороне и установлен на монолитной бетонной платформе, которая уходит в землю на глубину около 6 метров. Это гарантирует, что единственое, что влияет на лазерные лучи — вращение Земли.

Конструктив кольцевого лазера также включает герметичную камеру, ккомпенсирующую колебания атмосферного давления и поддерживающую температуру в пределах 12 градусов Цельсия. Чтобы отсечь влияние большинства внешних факторов, лаборатория смонтирована на глубине 5 метров, а сверху насыпан искусственный холм.

Процесс измерения начинается с генерации лазерного луча с определенной частотой. Этот лазерный луч затем делится на два луча, которые направляются в противоположных направлениях через зеркала кольцевого резонатора. Когда лазерные лучи возвращаются в резонатор, они пересекаются и возникает интерференция между двумя световыми волнами.

Интерференционная картина, образующаяся в результате пересечения световых волн, зависит от разницы в их частотах. Эта разница в частотах измеряется и используется для определения скорости вращения Земли. Когда Земля вращается, один из лазерных лучей проходит меньшее расстояние, чем другой, из-за эффекта вращения Земли. Это приводит к разнице в частотах световых волн, которая в свою очередь связана со скоростью вращения Земли.

Когда Земля перемещается в космосе, она вращается с небольшими изменениями скорости вокруг своей оси. Однако ось вращения Земли также не является стабильной и подвержена колебаниям. Это происходит из-за того, что наша планета состоит из различных компонентов — твердых и жидких, и их перемещение влияет на скорость вращения Земли. Для измерения этого различия используется кольцевой лазер TUM. В процессе модернизации этой лазерной системы, ученые пытались найти оптимальное соотношение между размером системы и ее механической стабильностью. Чем больше система, тем более точные измерения можно проводить, но при этом возникает проблема снижения стабильности и точности из-за асимметрии противоположных лазерных лучей в сердце системы Ветцеля.

Для решения этой проблемы, специалисты из TUM использовали технику изготовления кристалла кварца особой формы, чтобы компенсировать асимметрию лазерных лучей. Это позволило снизить влияние асимметрии на точность измерений и повысить стабильность системы.

Кроме того, ученые также провели дополнительные исследования и моделирование, чтобы учесть и компенсировать другие факторы, влияющие на точность измерений, например, температурные изменения и колебания внешних условий.

В результате этих улучшений, кольцевой лазер в Геодезической обсерватории Ветцель стал одним из самых точных и устойчивых инструментов для измерения скорости вращения Земли. Это позволяет ученым получать качественные данные о движении нашей планеты с беспрецедентной точностью и открывает новые возможности для исследования различных геофизических процессов.

Улучшения в лазерной системе позволяют вести измерения со значительно большей точностью. Повышение механической стабильности и учет систематических эффектов позволяют достичь точности до 9 десятичных знаков, что эквивалентно доле миллисекунды в день. Это значительный прогресс в измерении скорости вращения Земли и позволяет получать более точные и актуальные данные о положении нашей планеты.