Ricercatori dell’Università Tecnica di Monaco (TUM) sono riusciti a misurare la rotazione terrestre con una precisione senza precedenti. Il laser ad anello dell’Osservatorio geodetico di Wettzell, ora può essere utilizzato per acquisire dati con un livello di qualità mai raggiunto prima. Le misurazioni saranno utilizzate per determinare la posizione della Terra nello spazio, per favorire la ricerca sul clima e per rendere più affidabili i modelli climatici.
Lo studio “Variazioni nella velocità di rotazione della Terra misurate con un interferometro laser ad anello” è stato pubblicato nella rivista Nature Photonics.
Volete fare un salto in cantina e vedere a che velocità la Terra ha girato nelle ultime ore? Ora è possibile presso l‘Osservatorio geodetico di Wettzell. I ricercatori dell’Università Tecnica di Monaco (TUM) hanno migliorato il laser ad anello in modo da poter fornire giornalmente dati aggiornati, che finora non erano possibili a livelli comparabili di qualità.
Caratteristiche del laser ad anello
Il laser ad anello che cosa misura esattamente? La Terra durante il suo viaggio nello spazio, ruota sul suo asse a velocità leggermente diverse. Inoltre, l’asse attorno al quale ruota il pianeta non è completamente statico, ma oscilla un po’ perché il nostro pianeta non è completamente solido, ma è costituito da vari componenti, alcuni solidi, altri liquidi, quindi, l’interno stesso della Terra è in costante movimento, questi spostamenti di massa accelerano o frenano la rotazione del pianeta, differenze che possono essere rilevate con sistemi di misurazione come il laser ad anello dell’Università Tecnica di Monaco (TUM).
Ulrich Schreiber, professore presso il Dipartimento di Aerospaziale e Geodesia (ASG) della Scuola di Ingegneria e Design (ED) dell’Università Tecnica di Monaco (TUM), ha guidato il progetto, ha affermato:
«Le fluttuazioni della rotazione non sono importanti solo per l’astronomia, ma ci servono anche per creare modelli climatici accurati e per comprendere meglio fenomeni meteorologici come El Niño. E quanto più precisi sono i dati, tanto più accurate saranno le previsioni».
Revisionati i sensori e algoritmo correttivo del laser ad anello
Il team di ricercatori nella revisione del sistema laser ad anello, ha dato priorità alla ricerca di un buon equilibrio tra dimensioni e stabilità meccanica, poiché più grande è un dispositivo di questo tipo, più sensibili sono le misure che può effettuare. Tuttavia, le dimensioni comportano dei compromessi in termini di stabilità e quindi di precisione.
La simmetria dei due fasci laser contrapposti, il cuore del sistema dell’Osservatorio geodetico di Wettzell è stata un’altra sfida. La misura esatta è possibile solo quando le forme d’onda dei due fasci laser in contropropagazione sono quasi identiche. Tuttavia, il progetto del dispositivo implica che una certa quantità di asimmetria sia sempre presente.
Esperti studiosi di geodesia (disciplina appartenente alle scienze della Terra che si occupa della misura e della rappresentazione della Terra, del suo campo gravitazionale e dei fenomeni geodinamici riferiti allo spostamento dei poli, maree terrestri e movimenti della crosta), negli ultimi quattro anni hanno utilizzato un modello teorico per le oscillazioni laser per catturare con successo questi effetti sistematici, al punto da poterli calcolare con precisione per un lungo periodo di tempo e quindi eliminare dalle misurazioni.
Le misurazioni del dispositivo sono significativamente più precise
Il dispositivo può utilizzare questo nuovo algoritmo correttivo per misurare con precisione la rotazione terrestre fino a 9 cifre decimali, corrispondenti a una frazione di millisecondo il giorno. In termini di raggi laser, ciò equivale a un’incertezza che parte solo dalla ventesima cifra decimale della frequenza della luce, stabile per diversi mesi.
Le fluttuazioni su e giù osservate, complessivamente hanno raggiunto valori di ben 6 millisecondi nell’arco di circa due settimane. I miglioramenti apportati al laser hanno reso possibili anche periodi di misurazione significativamente più brevi. I nuovi programmi di correzione consentono al team di ricercatori di acquisire dati ogni tre ore.
Urs Hugentobler, professore di geodesia satellitare all’Università Tecnica di Monaco (TUM), ha affermato:
«Nelle geoscienze, livelli di risoluzione temporale così elevati sono assolutamente inediti per i laser ad anello indipendenti. Il laser a differenza di altri sistemi, funziona in modo completamente indipendente e non necessita di punti di riferimento nello spazio, con i sistemi convenzionali, questi punti di riferimento vengono creati osservando le stelle o utilizzando dati satellitari. Ma noi siamo indipendenti da questo tipo di elementi e siamo anche estremamente precisi».
I dati acquisiti indipendentemente dall’osservazione stellare possono aiutare a identificare e compensare gli errori sistematici di altri metodi di misurazione. L’utilizzo di diversi metodi contribuisce a rendere il lavoro particolarmente meticoloso, soprattutto quando i requisiti di precisione sono elevati, come nel caso del laser ad anello. Ulteriori miglioramenti del sistema sono previsti per il futuro, consentiranno di ridurre ulteriormente i tempi di misurazione.
I laser ad anello misurano l’interferenza tra due fasci laser
I laser ad anello sono costituiti da un percorso del fascio chiuso e quadrato con quattro specchi completamente racchiusi in un certo corpo, detto risonatore, in questo modo la lunghezza del percorso non cambia a causa delle fluttuazioni di temperatura. La miscela di gas elio/neon all’interno del risonatore consente l’eccitazione dei raggi laser, uno in senso orario e uno in senso antiorario.
La luce senza il movimento della Terra, percorrerebbe la stessa distanza in entrambe le direzioni, ma poiché il dispositivo si muove insieme alla Terra, la distanza per uno dei raggi laser è più breve, poiché la rotazione terrestre avvicina gli specchi al raggio. La luce nella direzione opposta percorre una distanza corrispondentemente più lunga.
È questo effetto che crea una differenza nelle frequenze delle due onde luminose, la cui sovrapposizione genera una nota di battimento che può essere misurata con estrema precisione. Maggiore è la velocità di rotazione della Terra, maggiore è la differenza tra le due frequenze ottiche.
La Terra all’equatore, ogni ora ruota di 15 gradi verso est, questo genera un segnale di 348,5 Hz nel dispositivo dell’Università Tecnica di Monaco (TUM). Le fluttuazioni della durata di un giorno si manifestano con valori compresi tra 1 e 3 milionesimi di Hz (1-3 microhertz).
Ogni lato del laser ad anello nel seminterrato dell’Osservatorio geodetico di Wettzell misura quattro metri, questa costruzione viene poi ancorata ad una solida colonna di cemento, che poggia sul solido substrato roccioso della crosta terrestre ad una profondità di circa sei metri. Ciò garantisce che la rotazione terrestre sia l’unico fattore che influenza i raggi laser ed esclude altri fattori ambientali.
La struttura è protetta da una camera pressurizzata che compensa le variazioni della pressione dell’aria o della temperatura desiderata di 12 gradi centigradi e compensa automaticamente queste variazioni. Il laboratorio per ridurre al minimo tali fattori d’influenza, si trova a una profondità di cinque metri sotto una collina artificiale. Sono stati necessari quasi 20 anni di ricerca per sviluppare il sistema di misurazione.
