حقق الباحثون طفرة في قياس دوران الأرض بدقة غير مسبوقة باستخدام الليزر الحلقي المتقدم في المرصد الجيوديسي ويتزل. وتسمح هذه التكنولوجيا المحسنة بالتقاط بيانات يومية عالية الجودة، وهو أمر ضروري لتحديد موقع الأرض في الفضاء وتحسين أبحاث ونماذج المناخ. (رسم توضيحي للفنان يوضح استخدام الليزر لقياس دوران الأرض.)

حقق العلماء في جامعة ميونيخ التقنية (TUM) تقدمًا كبيرًا في قياس دوران الأرض بدقة غير مسبوقة. يتم الآن استخدام الليزر الحلقي الموجود في المرصد الجيوديسي ويتزل لالتقاط البيانات بجودة لا مثيل لها في أي مكان في العالم. تعتبر هذه القياسات مهمة لتحديد موقع الأرض في الفضاء، ومساعدة أبحاث المناخ، وزيادة موثوقية النماذج المناخية.

تقنية الليزر الحلقي المتقدمة

هل تقوم برحلة سريعة إلى الطابق السفلي وترى مدى سرعة دوران الأرض خلال الساعات القليلة الماضية؟ يمكنك الآن في المرصد الجيوديسي ويتزل. قام باحثو TUM بتحسين الليزر الحلقي هناك حتى يتمكن من توفير البيانات الحالية اليومية، وهو ما لم يكن ممكنًا حتى الآن بمستويات جودة قابلة للمقارنة.

ما الذي يقيسه الليزر الحلقي بالضبط؟ تدور الأرض حول محورها بسرعة مختلفة قليلاً أثناء انتقالها عبر الفضاء. بالإضافة إلى ذلك، فإن المحور الذي يدور حوله الكوكب ليس مستقرًا تمامًا، فهو يتأرجح قليلاً. وذلك لأن كوكبنا ليس صلبًا تمامًا، ولكنه يتكون من أجزاء مختلفة، بعضها صلب وبعضها سائل. ومن ثم فإن باطن الأرض في حركة مستمرة. تعمل هذه التغيرات في الكتلة على تسريع أو إبطاء دوران الكوكب، وهي اختلافات يمكن اكتشافها باستخدام أنظمة القياس مثل الليزر الحلقي TUM.

تم تحسين الليزر الحلقي الموجود في Wetzel بشكل مستمر منذ بدء تشغيله. الائتمان: أستريد إيكرت / توم

يقول البروفيسور أولريش شرايبر، الذي قاد فريق البحث: “إن تقلبات الدورة الدموية ليست مهمة فقط لعلم الفلك، ولكننا في حاجة ماسة إليها لبناء نماذج مناخية دقيقة وفهم أفضل لأحداث الطقس مثل ظاهرة النينيو. وكلما كانت البيانات أكثر دقة، كلما كانت التنبؤات أكثر دقة”. مشروع في مختبر TUM.

التحسينات والتحديات التكنولوجية

عند تكييف نظام الليزر الحلقي، أعطى الفريق الأولوية لإيجاد توازن جيد بين الحجم والاستقرار الميكانيكي، نظرًا لأنه كلما كان مثل هذا الجهاز أكبر، كانت القياسات أكثر حساسية. ومع ذلك، فإن الحجم يمثل حلاً وسطًا من حيث الاستقرار والدقة.

وكان التحدي الآخر هو التماثل بين شعاعي الليزر المتعارضين، وهو قلب نظام ويتزل. لا يمكن إجراء القياس الصحيح إلا عندما تكون الأشكال الموجية لشعاعي الليزر المضادين للانتشار متطابقة تقريبًا. ومع ذلك، فإن تصميم الجهاز يعني وجود قدر معين من عدم التماثل دائمًا. في السنوات الأربع الماضية، استخدم علماء الجيولوجيا نموذجًا نظريًا لتذبذبات الليزر ليأخذوا في الاعتبار بدقة هذه التأثيرات المنهجية على مدى فترات زمنية طويلة يمكن إزالتها من القياسات.

تحسين الدقة والتطبيقات

ويمكن للجهاز استخدام خوارزمية التصحيح الجديدة هذه لقياس دوران الأرض بدقة إلى 9 منازل عشرية إلى جزء من المللي ثانية في اليوم. فيما يتعلق بأشعة الليزر، فإن هذا يعادل عدم اليقين الذي يبدأ فقط عند المكان العشري العشرين لتردد الضوء ويظل ثابتًا لعدة أشهر. وفي المجمل، وصلت التقلبات الصعودية والهبوطية التي لوحظت خلال أسبوعين تقريبًا إلى قيم 6 مللي ثانية.

لقد أدت التحسينات في أجهزة الليزر الآن إلى جعل أوقات القياس أقصر بكثير. تسمح برامج التحرير المطورة حديثًا للفريق بالتقاط البيانات الحالية كل ثلاث ساعات. يقول أورس هوجنتوبلر، أستاذ جغرافيا الأقمار الصناعية في جامعة TUM: “في علوم الأرض، تعد قياسات دقة الوقت جديدة تمامًا بالنسبة لأجهزة الليزر الحلقية المستقلة. وعلى عكس الأنظمة الأخرى، يعمل الليزر بشكل مستقل تمامًا ولا يتطلب نقاط مرجعية في الفضاء. باستخدام الأنظمة التقليدية، يمكن الحصول على هذه النقاط المرجعية من خلال مراقبة النجوم أو استخدام بيانات الأقمار الصناعية. ولكننا مستقلون عن هذا النوع من الأشياء ودقيقون للغاية. والبيانات التي تم التقاطها بشكل مستقل عن مراقبة النجوم يمكن أن تساعد في تحديد الأخطاء المنهجية والتعويض عنها في أنظمة أخرى. طرق القياس: إن استخدام طرق مختلفة يساعدنا على توخي الحذر بشكل خاص عند العمل. دقة كما هو الحال مع الليزر الحلقي، فإن المتطلبات عالية. ومن المقرر إجراء مزيد من التطوير للنظام مما يتيح فترات قياس أقصر في المستقبل.

فهم الليزر الدائري

تتكون أشعة الليزر الحلقية من مسار شعاع مغلق ومربع وأربع مرايا محاطة بالكامل بجسم من السيراميك والزجاج السيراني، يشار إليه باسم الرنان. وهذا يمنع طول المسار من التغير بسبب تقلبات درجات الحرارة. يقوم خليط غاز الهيليوم/النيون الموجود داخل الرنان بتنشيط إثارة شعاع الليزر، واحدة في اتجاه عقارب الساعة وواحدة في عكس اتجاه عقارب الساعة.

يقطع الضوء نفس المسافة في كلا الاتجاهين دون حركة الأرض. ولكن بما أن الجهاز يتحرك مع الأرض، فإن المسافة إلى أحد أشعة الليزر تكون أقصر لأن دوران الأرض يجعل المرايا أقرب إلى الشعاع. ينتقل الضوء بشكل مماثل لفترة أطول في الاتجاه المعاكس. يخلق هذا التأثير اختلافًا في ترددات موجتي الضوء، حيث يؤدي تراكبهما إلى إنشاء إشارة نبضية يمكن قياسها بدقة كبيرة. وكلما زادت سرعة دوران الأرض، زاد الفرق بين الترددين البصريين. عند خط الاستواء، تدور الأرض شرقًا بمقدار 15 درجة كل ساعة. يؤدي هذا إلى إنشاء إشارة 348.5 هرتز على جهاز TUM. تتجلى التقلبات في طول اليوم بقيم تتراوح من 1 إلى 3 ملايين لكل هرتز (1 – 3 ميكروهرتز).

بنية تحتية قوية ودقيقة

يبلغ طول كل جانب من جوانب الليزر الحلقي الموجود في قبو المختبر في Wetzel أربعة أمتار. ويتم بعد ذلك تثبيت البناء على عمود خرساني متين يرتكز على عمق حوالي ستة أمتار في أساس متين من القشرة الأرضية. وهذا ما يضمن أن دوران الأرض هو العامل الوحيد الذي يؤثر على أشعة الليزر ويستبعد العوامل البيئية الأخرى. تتم حماية البناء بواسطة غرفة مضغوطة تعوض تلقائيًا التغيرات في ضغط الهواء أو درجة الحرارة المطلوبة البالغة 12 درجة مئوية. وللحد من هذه العوامل المؤثرة، يقع المختبر على عمق خمسة أمتار تحت تلة صناعية. لقد استغرق تطوير نظام القياس ما يقرب من 20 عامًا من العمل البحثي.

المرجع: K. Ulrich Schreiber، Jan Kodet، Urs Hugentobler، Thomas Klügel وJon-Paul R. Wells، 18 سبتمبر 2023، “التغيرات في معدل دوران الأرض التي يتم قياسها بواسطة مقياس تداخل الليزر الحلقي” الضوئيات الطبيعية.
دوى: 10.1038/s41566-023-01286-x