11 نوامبر 2023 -توسط دانشگاه فنی مونیخ-لیزر حلقه در Wettzell از زمان راه اندازی به طور مداوم بهبود یافته است. اعتبار: دانشگاه فنی مونیخ
محققان دانشگاه فنی مونیخ (TUM) موفق شده اند چرخش زمین را دقیق تر از هر زمان دیگری اندازه گیری کنند. لیزر حلقه ای در رصدخانه ژئودتیک Wettzell اکنون می تواند برای ضبط داده ها در سطح کیفی بی نظیر در هیچ کجای جهان استفاده شود. این اندازه‌گیری‌ها برای تعیین موقعیت زمین در فضا، بهره‌مندی از تحقیقات آب‌وهوایی، و قابل‌اعتمادتر کردن مدل‌های اقلیمی مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
آیا می‌خواهید یک قدم سریع به زیرزمین بروید و ببینید که زمین در چند ساعت گذشته با چه سرعتی می‌چرخد؟ اکنون می توانید در رصدخانه ژئودتیک Wettzell. محققان TUM لیزر حلقه‌ای را در آنجا بهبود داده‌اند تا بتواند داده‌های جاری روزانه را ارائه دهد، که تاکنون در سطوح کیفی قابل مقایسه امکان‌پذیر نبوده است.
لیزر حلقه دقیقاً چه چیزی را اندازه گیری می کند؟ در سفر خود در فضا، زمین با سرعت های کمی متفاوت حول محور خود می چرخد. علاوه بر این، محوری که سیاره به دور آن می چرخد کاملاً ثابت نیست، کمی تکان می خورد. این به این دلیل است که سیاره ما کاملاً جامد نیست، بلکه از اجزای مختلف تشکیل شده است، برخی جامد و برخی مایع. بنابراین، درون خود زمین دائماً در حرکت است. این تغییرات جرم چرخش سیاره را تسریع یا ترمز می کند، تفاوت هایی که با استفاده از سیستم های اندازه گیری مانند لیزر حلقه ای TUM قابل تشخیص هستند.
پروفسور اولریش شرایبر می گوید: “نوسانات در چرخش نه تنها برای نجوم مهم هستند، بلکه برای ایجاد مدل های آب و هوایی دقیق و درک بهتر پدیده های آب و هوایی مانند ال نینو، به آنها نیاز فوری داریم. و هر چه داده ها دقیق تر باشند، پیش بینی ها دقیق تر هستند.” ،
هنگام تعمیرات اساسی سیستم لیزر حلقه، این تیم یافتن یک تعادل خوب بین اندازه و پایداری مکانیکی را در اولویت قرار دادند، زیرا هر چه چنین دستگاهی بزرگ‌تر باشد، اندازه‌گیری‌هایی که می‌تواند انجام دهد حساس‌تر است. با این حال، اندازه به معنای سازش از نظر ثبات و در نتیجه دقت است.
چالش دیگر، تقارن دو پرتو لیزر متضاد، قلب سیستم وتزل بود. اندازه‌گیری دقیق تنها زمانی امکان‌پذیر است که شکل موج دو پرتو لیزر ضد انتشار تقریباً یکسان باشد. با این حال، طراحی دستگاه به این معنی است که مقدار مشخصی از عدم تقارن همیشه وجود دارد.
در طول چهار سال گذشته، ژئودیزیست ها از یک مدل نظری برای نوسانات لیزری استفاده کرده اند تا با موفقیت این اثرات سیستماتیک را ثبت کنند تا جایی که بتوان آنها را به طور دقیق در یک دوره زمانی طولانی محاسبه کرد و بنابراین می توان از اندازه گیری ها حذف کرد.
این دستگاه می‌تواند از این الگوریتم اصلاحی جدید برای اندازه‌گیری چرخش زمین تا 9 رقم اعشار، که مربوط به کسری از میلی‌ثانیه در روز است، استفاده کند. از نظر پرتوهای لیزر، معادل عدم قطعیتی است که فقط از بیستمین رقم اعشار فرکانس نور شروع می شود و برای چندین ماه پایدار است.
به طور کلی، نوسانات مشاهده شده بالا و پایین در طول تقریباً دو هفته به مقادیر 6 میلی ثانیه رسید.
پیشرفت های لیزر اکنون دوره های اندازه گیری بسیار کوتاه تری را نیز ممکن کرده است. برنامه‌های اصلاحی تازه توسعه‌یافته به تیم اجازه می‌دهد هر سه ساعت یک‌بار داده‌های فعلی را ضبط کند.
Urs Hugentobler، پروفسور ژئودزی ماهواره‌ای در TUM، می‌گوید: «در علوم زمین، سطوح تفکیک زمانی به این بالا برای لیزرهای حلقه‌ای مستقل کاملاً جدید است. برخلاف سایر سیستم‌ها، لیزر کاملاً مستقل عمل می‌کند و نیازی به نقاط مرجع در فضا ندارد. در سیستم‌های مرسوم، این نقاط مرجع با رصد ستارگان یا استفاده از داده‌های ماهواره‌ای ایجاد می‌شوند، اما ما مستقل از این نوع چیزها و همچنین بسیار دقیق هستیم.
داده های گرفته شده مستقل از رصد ستاره ای می تواند به شناسایی و جبران خطاهای سیستماتیک در سایر روش های اندازه گیری کمک کند. استفاده از روش‌های مختلف به دقیق‌تر شدن کار کمک می‌کند، به‌ویژه زمانی که نیاز به دقت بالا باشد، همانطور که در مورد لیزر حلقه صدق می‌کند. بهبود بیشتر سیستم، که دوره‌های اندازه‌گیری کوتاه‌تری را ممکن می‌سازد، برای آینده برنامه‌ریزی شده است.
لیزرهای حلقه ای شامل یک مسیر پرتو مربعی بسته با چهار آینه کاملاً محصور در یک بدنه خاص است که به آن تشدید کننده می گویند. این باعث می شود طول مسیر به دلیل نوسانات دما تغییر نکند. مخلوط گاز هلیوم/نئون در داخل تشدید کننده، تحریک پرتو لیزر را، یکی در جهت عقربه‌های ساعت و دیگری در خلاف جهت عقربه‌های ساعت، فعال می‌کند.
بدون حرکت زمین، نور در هر دو جهت مسافت یکسانی را طی خواهد کرد. اما از آنجایی که دستگاه همراه با زمین حرکت می‌کند، فاصله یکی از پرتوهای لیزر کوتاه‌تر است، زیرا چرخش زمین، آینه‌ها را به پرتو نزدیک‌تر می‌کند.
این اثر باعث ایجاد تفاوت در فرکانس دو موج نوری می شود که برهم نهی آنها یک نت ضربانی ایجاد می کند که می تواند بسیار دقیق اندازه گیری شود. هر چه سرعت چرخش زمین بیشتر باشد، تفاوت بین دو فرکانس نوری بیشتر است. در خط استوا، زمین در هر ساعت 15 درجه به سمت شرق می چرخد. این یک سیگنال 348.5 هرتز در دستگاه TUM تولید می کند. نوسانات در طول روز با مقادیری از 1 تا 3 میلیونیم هرتز (1 تا 3 میکرو هرتز) آشکار می شود.
اندازه هر طرف لیزر حلقه ای در زیرزمین رصدخانه در وتزل چهار متر است. سپس این سازه به یک ستون بتنی جامد متصل می شود که بر روی سنگ بستر جامد پوسته زمین در عمق حدود شش متری قرار دارد. این تضمین می کند که چرخش زمین تنها عامل تأثیرگذار بر پرتوهای لیزر است و سایر عوامل محیطی را حذف می کند.
این ساختمان توسط یک محفظه تحت فشار محافظت می شود که تغییرات فشار هوا یا دمای مطلوب 12 درجه سانتیگراد را جبران کرده و به طور خودکار این تغییرات را جبران می کند. به منظور به حداقل رساندن چنین عوامل تأثیرگذار، آزمایشگاه در عمق پنج متری زیر یک تپه مصنوعی قرار دارد. تقریباً 20 سال تحقیق برای توسعه سیستم اندازه گیری انجام شده است.
