Успішно апробований найстабільніший в світі і самий чутливий лазерний гіроскоп

Про всі тонкощі обертання Землі в просторі вчені звикли судити, спостерігаючи за далекими об’єктами в космосі як за опорними точками. Однак фізики знайшли спосіб відстежити розкачку осі планети прямо в лабораторії.

Фахівці з геодезичної обсерваторії Веттцелль (Geodätisches Observatorium Wettzell) технічного університету Мюнхена, а також ряду інших германських наукових установ побудували і успішно апробували найстабільніший в світі і самий чутливий лазерний гіроскоп.

Він зміг вловити найтонші (частки кутової секунди) відхилення осі обертання нашої планети, відбуваються циклічно з періодом в один рік і більше. При цьому дані виявилися добре узгоджені з параметрами, виміряними Міжнародною службою обертання Землі (IERS) за допомогою інших методів.

 


Приклад зміщення осі обертання Землі (по вертикалі – дні, по осях x і y – відхилення в кутових секундах) (ілюстрація з сайту wikipedia.org).

“Коливання вовчка” викликані тим, що Земля – не ідеально круглий об’єкт. При цьому на ній ще відбуваються постійні переміщення мас (океанські течії, зміна атмосферного тиску над різними регіонами і так далі).

Укупі з гравітаційним впливом Сонця і Місяця це генерує зміщення осі з амплітудою приблизно в 12 метрів (по шість на кожну сторону відносно середнього положення), вважаючи по поверхні Землі біля полюса — так звані коливання Чендлера (Chandler wobble ).

Вони відбуваються з періодом близько 435 днів. Але на них накладаються ще річні коливання осі обертання, пов’язані з эллиптичностью земної орбіти. Разом ці два процеси створюють складний рух полюса (polar motion) (не плутати з дрейфом магнітних полюсів).

 


Чутливість кільцевих лазерних гіроскопів залежить від площі, обмеженою променями (чим більше, тим краще). У німецькому монстрі це квадрат 4 х 4 метри. На малюнку показана спрощена схема рекордного приладу з основними вузлами (ілюстрація Geodätisches Observatorium Wettzell).

Облік таких зрушень важливий для геодезії, спостереження за космічними тілами, супутникової навігації. Але досі тут вченим доводилося покладатися на космос. В наш час 30 радіотелескопів по всьому світу регулярно відстежують направлення на певні квазари. Ці ядра галактик настільки далекі, що для нас можуть вважатися нерухомими точками.

 


Незвичайна система змонтована в підземній лабораторії. На знімках – етапи будівництва (фотографії Geodätisches Observatorium Wettzell).

І все-таки завжди залишалася ймовірність, що опорні «маяки» на ділі не цілком стаціонарні. Тому німецькі вчені вирішили розробити технологію, що знімає будь-які систематичні помилки і взагалі необхідність дивитися на небо.

В середині 1990-х років вони почали проектування та будівництво унікального лазерного гіроскопа. За словами лідера проекту Карла Ульріха Шрайбера (Karl Ulrich Schreiber, на фото під заголовком), в той час над ідеєю посміювалися, так як складно було уявити прилад необхідної точності.

Нагадаємо, в таких пристроях два лазерних променя бігають назустріч один одному по закільцьованої за допомогою дзеркал трасі. Через напівпрозоре дзеркало датчики постійно стежать за картиною інтерференції цих променів, а вона змінюється, лише варто площині гіроскопа повернутися навколо перпендикулярної осі.

 


Принцип роботи кільцевого лазерного гіроскопа (червоним показано лазер, сірим – дзеркала, прямі стрілки – біг променів, відзначений також поворот установки разом з Землею). Потрібно відзначити, що якщо б прилад стояв на полюсі (а лазерні промені бігали в горизонтальній площині), датчики показували б один оборот в доба. На екваторі при розташуванні установки по горизонталі вона не відчувала б обертання планети зовсім.

Розміщення апарату в лісі Веттцелль, на 49-й широті, являє собою хороший проміжний випадок. Будь-яке відхилення в просторі осі обертання планети викликає тут зміна вимірюваної швидкості обертання установки (ілюстрація Geodätisches Observatorium Wettzell).

Щоб такий апарат не просто виміряв обертання Землі, а вловив зрушення в просторовому положенні її осі, що йде місяці, авторам проекту довелося неабияк попотіти. Вони повинні були переконатися, що прилад не впливають ніякі сторонні фактори.

Встановлення змонтували п’яти метрів під рівнем землі, ізолювавши камеру зверху багатометровими шарами глини та інших матеріалів.

У кімнату з приладом веде 20-метровий тунель з п’ятьма герметичними дверима. Всередині зберігаються більш-менш стабільні температура і тиск.

До того ж прилади постійно вимірюють ці параметри, і найменші відхилення враховуються при розрахунках.

Сам гіроскоп змонтований на девятитонной плиті з кераміки Zerodur, що володіє дуже малим коефіцієнтом теплового розширення. Вона доповнена чотирма важкими балками з того ж матеріалу – вони тримають дзеркала.

В довершення вся ця масивна збірка спочиває на широкому монолітному бетонному стовпі (він добре видно на кадрах з будівництва), що йде в скельну породу на шість метрів углиб, оповідає PhysOrg.com.

 


Схема «бункера» з лазерним гіроскопом (сам він показаний чорним). Внизу видно масивне підставу, зверху – захисні короби і шари, ізолюючі прилад і весь бункер від зовнішніх впливів. Ліворуч видно тунель для доступу до установки, під ним – дренажний канал (ілюстрація Geodätisches Observatorium Wettzell).

 

Всі ці хитрощі нині увінчалися повним успіхом. Тепер команда з університету Мюнхена має намір поліпшити установку, щоб можна було отримувати дані про відхилення земної осі, яке сталося не за півроку-рік, а всього за день.

Далі вчені спробують налаштувати прилад так, щоб він міг працювати роками без помилок. Тоді можна було б в будь-який момент подивитися на свідчення сенсорів і дізнатися, як зараз обертається наша планета.

(Деталі нинішнього досягнення розкриває стаття Physical Review Letters.)

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *