Немцы впервые напрямую измерили колебания земной оси
Обо всех тонкостях вращения Почвы в пространстве учёные привыкли делать выводы, замечая за далёкими объектами в космосе как за опорными точками. Но физики нашли метод отследить раскачку оси планеты прямо в лаборатории.
Эксперты из геодезической обсерватории Веттцелль (Geodatisches Observatorium Wettzell) технического университета Мюнхена, и последовательности вторых германских научных учреждений выстроили и удачно апробировали самый стабильный в мире и самый чувствительный лазерный гироскоп.
Он смог уловить узкие (в доли угловой секунды) отклонения в оси вращения отечественной планеты, циклически происходящие с периодом в год и больше. Наряду с этим эти были прекрасно согласованы с параметрами, измеренными Интернациональной работой вращения Почвы (IERS) при помощи иных способов.
Пример смещения оси вращения Почвы (по вертикали – дни, по осям x и y – отклонение в угловых секундах) (иллюстрация с сайта wikipedia.org).
Колебания волчка позваны тем, что Почва – не идеально круглый объект. Наряду с этим на ней ещё происходят постоянные перемещения весов (океанские течения, изменение давления над различными регионами и без того потом).
Вкупе с гравитационным влиянием Луны и Солнца это генерирует смещение оси с амплитудой приблизительно в 12 метров (по шесть в каждую сторону относительно среднего положения), полагая по поверхности Почвы у полюса — так именуемые колебания Чендлера (Chandler wobble).
Они происходят с периодом около 435 дней. Но на них накладываются ещё годовые колебания оси вращения, которые связаны с эллиптичностью земной орбиты.
Совместно эти два процесса создают сложное перемещение полюса (polar motion) (не путать с дрейфом магнитных полюсов).
Чувствительность кольцевых лазерных гироскопов зависит от площади, ограниченной лучами (чем больше, тем лучше). В германском монстре это квадрат 4 х 4 метра.
На рисунке продемонстрирована упрощённая схема рекордного прибора с главными узлами (иллюстрация Geodatisches Observatorium Wettzell).
Учёт таких сдвигов серьёзен для геодезии, наблюдения за космическими телами, спутниковой навигации. Но до сих пор тут учёным приходилось надеяться на космос.
В наши дни 30 радиотелескопов в мире систематично отслеживают направление на определённые квазары. Эти ядра галактик столь далеки, что для нас смогут принимать во внимание неподвижными точками.
Необыкновенная совокупность смонтирована в подземной лаборатории. На снимках – этапы строительства (фотографии Geodatisches Observatorium Wettzell).
И всё-таки постоянно оставалась возможность, что опорные «маяки» на деле не в полной мере стационарны. Потому германские учёные решили создать разработку, ликвидирующую каждые систематические неточности и по большому счету необходимость наблюдать на небо.
В середине 1990-х годов они начали проектирование и постройку неповторимого лазерного гироскопа. По словам фаворита проекта Карла Ульриха Шрайбера (Karl Ulrich Schreiber, на фото под заголовком), в то время над идеей посмеивались, поскольку сложно было представить прибор требуемой точности.
Напомним, в таких устройствах два лазерных луча бегают навстречу друг другу по закольцованной при помощи зеркал автостраде. Через полупрозрачное зеркало датчики постоянно смотрят за картиной интерференции этих лучей, а она изменяется, только стоит плоскости гироскопа повернуться около перпендикулярной оси.
Принцип работы кольцевого лазерного гироскопа (красным продемонстрирован лазер, серым – зеркала, прямые стрелки – бег лучей, отмечен кроме этого поворот установки вместе с Почвой). Необходимо подчернуть, что если бы прибор стоял на полюсе (а лазерные лучи бегали в горизонтальной плоскости), датчики показывали бы один оборот в день.
На экваторе при том же размещении установки по горизонтали она не ощущала бы вращение планеты совсем.
Размещение аппарата в лесу Веттцелль, на 49-й широте, представляет собой хороший промежуточный случай. Любое отклонение в пространстве оси вращения планеты приводит к туту изменение в измеряемой скорости вращения установки (иллюстрация Geodatisches Observatorium Wettzell).
Дабы таковой аппарат не просто измерил вращение Почвы, а уловил сдвиг в пространственном положении её оси, идущий месяцы, авторам проекта было нужно изрядно попотеть. Они должны были убедиться, что на прибор не воздействуют никакие посторонние факторы.
Установку смонтировали в пяти метрах под уровнем почвы, изолировав камеру сверху многометровыми слоями других материалов и глины.
В помещение с прибором ведёт 20-метровый тоннель с пятью герметичными дверями. В сохраняются более-менее стабильные давление и температура.
Вдобавок устройства всегда измеряют эти параметры, и мельчайшие отклонения учитываются потом при расчётах.
Сам гироскоп смонтирован на девятитонной плите из керамики Zerodur, владеющей малый коэффициентом теплового расширения. Она дополнена четырьмя тяжёлыми балками из того же материала – они держат зеркала.
В довершение вся эта массивная сборка покоится на широком монолитном цементном столбе (он прекрасно виден на кадрах со стройки), уходящем в скальную породу на шесть метров вглубь, повествует PhysOrg.com.
Схема «бункера» с лазерным гироскопом (сам он продемонстрирован тёмным).
Внизу видно массивное основание, сверху – защитные короба и слои, изолирующие прибор и целый бункер от внешних действий. Слева виден туннель для доступа к установке, под ним – дренажный канал (иллюстрация Geodatisches Observatorium Wettzell).
Все эти ухищрения сейчас увенчались полным успехом. Сейчас команда из университета Мюнхена собирается улучшить установку, дабы возможно было приобретать информацию об отклонении земной оси, случившемся не за полгода-год, а всего за сутки.
Дальше учёные попытаются настроить прибор так, дабы он имел возможность трудиться годами без неточностей. Тогда возможно было бы в любую секунду взглянуть на показания сенсоров и выяснить, как на данный момент вращается отечественная планета.
(Подробности нынешнего успехи раскрывает статья Physical Review Letters.)
