Benzeri görülmemiş günlük ölçümler Dünya’nın dönüşünü gösteriyor

Münih Teknik Üniversitesi’nden (TUM) bilim insanları, Dünya’nın dönüşünü benzeri görülmemiş bir doğrulukla ölçmede büyük ilerleme kaydetti. Wettzell Jeodezik Gözlemevi’ndeki halka lazer artık dünyanın herhangi bir yerinde benzeri görülmemiş bir kalite seviyesinde veri yakalamak için kullanılabilir. Bu ölçümler, Dünya’nın uzaydaki konumunu belirlemek, iklim araştırmalarına yardımcı olmak ve iklim modellerinin güvenilirliğini artırmak için çok önemlidir.

Gelişmiş halka lazer teknolojisi

Aşağıya hızlı bir adım atmak ve Dünya’nın son birkaç saat içinde ne kadar hızlı döndüğünü görmek ister misiniz? Artık Wettzell Jeodezik Gözlemevi’nde yapabilirsiniz. TUM araştırmacıları, buradaki halka lazeri, henüz karşılaştırılabilir kalite seviyelerinde mümkün olmayan günlük güncel verileri sağlayabilecek şekilde geliştirdiler.

Halka lazer tam olarak neyi ölçer? Dünya, uzaydaki yolculuğu sırasında kendi ekseni etrafında biraz değişen hızlarda döner. Ayrıca gezegenin etrafında döndüğü eksen tamamen sabit değildir, hafif salınım yapar. Bunun nedeni, gezegenimizin tamamen katı olmayıp, bazısı katı, bazısı sıvı olmak üzere farklı parçalardan oluşmasıdır. Yani Dünya’nın iç kısmı sürekli hareket halindedir. Kütledeki bu değişimler gezegenin dönüşünü hızlandırır veya yavaşlatır; bu farklar TUM halka lazeri gibi ölçüm sistemleri kullanılarak tespit edilebilir.

Wettzell’in halka lazeri başlangıcından bu yana sürekli olarak geliştirildi. Kredi bilgileri: Astrid Eckert/Tom

Profesör Ulrich Schreiber, “Dolaşımdaki dalgalanmalar yalnızca astronomi için önemli değil, aynı zamanda doğru iklim modelleri oluşturmak ve El Niño gibi hava olaylarını daha iyi anlamak için bunlara acilen ihtiyacımız var. Veriler ne kadar doğru olursa, veriler de o kadar doğru olur” diyor TUM Gözlemevi’nde projeye liderlik eden Tahminlerin doğruluğu arttı.

Teknik iyileştirmeler ve zorluklar

Ekip, halka lazer sistemini onarırken, boyut ve mekanik stabilite arasında iyi bir denge bulmaya öncelik verdi; çünkü cihaz ne kadar büyük olursa, ölçümler de o kadar hassas yapılabilir. Ancak boyut, stabilite ve dolayısıyla doğruluk açısından ödün verilmesi anlamına gelir.

Bir diğer zorluk ise Wetzel’in sisteminin kalbi olan iki karşıt lazer ışını arasındaki simetriydi. Doğru ölçüm ancak iki karşıt yayılan lazer ışınının dalga biçimleri neredeyse aynı olduğunda yapılabilir. Ancak cihazın tasarımı, belirli bir oranda asimetrinin her zaman mevcut olduğu anlamına gelir. Geçtiğimiz dört yıl boyunca, jeodezi bilim adamları, bu sistematik etkileri uzun bir süre boyunca doğru bir şekilde hesaplanabilecek ve böylece ölçümlerden çıkarılabilecek noktaya kadar başarılı bir şekilde yakalamak için teorik bir lazer salınım modeli kullandılar.

Geliştirilmiş doğruluk ve uygulamalar

Cihaz, bu yeni düzeltme algoritmasını kullanarak Dünya’nın dönüşünü 9 ondalık basamağa kadar doğrulukla (günde bir milisaniyenin kesirine eşdeğer) ölçebilir. Lazerler için bu, ışık frekansının sadece 20. ondalık basamağından başlayan ve birkaç ay boyunca sabit kalan bir belirsizliğe eşittir. Genel olarak gözlenen yukarı-aşağı dalgalanmalar yaklaşık 2 haftalık bir sürede 6 ms’ye varan değerlere ulaştı.

Lazerlerdeki gelişmeler artık ölçüm aralıklarını çok daha kısa hale getirdi. Yeni geliştirilen yama yazılımı, ekibin her üç saatte bir güncel verileri yakalamasına olanak tanıyor. TUM Uydu Jeodezi Profesörü Urs Hugentobler, “Yer bilimlerinde bu kadar yüksek düzeyde zaman çözünürlüğü, otonom halka lazerler için tamamen yenidir” diyor ve şöyle devam ediyor: “Diğer sistemlerin aksine, lazer tamamen otonom olarak çalışıyor ve referans noktalarına ihtiyaç duymuyor. Geleneksel sistemlerde “Bu referans noktaları, yıldızların gözlemlenmesiyle veya uydu verilerinin kullanılmasıyla oluşturulur. Ancak biz bu tür şeylerden bağımsızız ve aynı zamanda çok hassasız. Yıldızların gözlemlenmesinden bağımsız olarak elde edilen veriler, diğer sistemlerdeki sistematik hataların tanımlanmasına ve telafi edilmesine yardımcı olabilir.” Ölçüm yöntemleri.” Çeşitli yöntemlerin kullanılması, özellikle ölçüm yaparken işin özellikle doğru olmasına yardımcı olur. Kesinlik Halka lazerlerde olduğu gibi gereksinimler yüksektir. Gelecekte daha kısa ölçüm periyotlarına olanak sağlayacak şekilde sistemde daha fazla iyileştirme yapılması planlanmaktadır.

Halka lazerleri anlama

Halka lazerler, rezonatör olarak adlandırılan, Ceran tipi bir cam-seramik gövdeyle tamamen çevrelenmiş dört aynalı kapalı bir kare ışın yolundan oluşur. Bu, sıcaklık dalgalanmaları nedeniyle yol uzunluğunun değişmesini önler. Rezonatörün içindeki helyum/neon gazı karışımı, biri saat yönünde, diğeri saat yönünün tersine olmak üzere iki lazer ışınının uyarılmasına olanak tanır.

Dünyanın hareketi olmasaydı ışık her iki yönde de aynı mesafeyi katederdi. Ancak cihaz Dünya ile birlikte hareket ettiğinden, lazer ışınlarından birinin mesafesi daha kısadır çünkü Dünyanın dönüşü aynaları ışına yaklaştırır. Ters yönde ışık benzer şekilde daha uzun bir mesafe kat eder. Bu etki, iki ışık dalgasının frekanslarında bir fark yaratır; bu dalgaların üst üste gelmesi, çok hassas bir şekilde ölçülebilen ritmik bir ton üretir. Dünya ne kadar hızlı dönerse, iki optik frekans arasındaki fark da o kadar büyük olur. Ekvatorda Dünya her saat başı 15 derece doğuya doğru döner. Bu, TUM’da 348,5 Hz’lik bir sinyal oluşturur. Gün uzunluğundaki dalgalanmalar hertz’in 1 ila 3 milyonda biri (1-3 mikroHz) düzeyinde görülür.

Sağlam ve hassas altyapı

Wettzell’deki gözlemevinin bodrumunda bulunan lazer halkasının her iki tarafı da dört metre uzunluğundadır. Bu yapı daha sonra yaklaşık altı metre derinlikte yer kabuğunun sağlam tabanına dayanan sağlam bir beton sütun üzerine kurulur. Bu, dünyanın dönüşünün lazer ışınlarını etkileyen tek faktör olmasını sağlar ve diğer çevresel faktörleri hariç tutar. Yapı, hava basıncındaki veya gerekli 12°C sıcaklıktaki değişiklikleri otomatik olarak telafi eden basınçlı bir oda tarafından korunmaktadır. Bu etkili faktörleri azaltmak için laboratuvar yapay bir tepenin altında beş metre derinliğe yerleştirildi. Ölçüm sistemini geliştirmek yaklaşık 20 yıllık bir araştırma çalışması gerektirdi.

Referans: “Dünyanın dönüş hızındaki değişiklikler halka lazer interferometre ile ölçüldü”, K. Ulrich Schreiber, Jan Coudet, Urs Hugentobler, Thomas Klügel ve John Paul R. Galler, 18 Eylül 2023, Doğa fotoniği.
doi: 10.1038/s41566-023-01286-x