Kører lys rundt om et tetraeder

Takket være et innovativt ringlaserdesign, geofysikere ved LMU kan nu måle og overvåge Jordens rotation med hidtil uset nøjagtighed. Det nye instrument i Fürstenfeldbruck bliver formelt indviet i denne uge.

Verden har hidtil taget relativt lidt mærke til Fürstenfeldbruck, en by beliggende omkring 20 km fra München. Det vurderes bestemt ikke som et hotspot for banebrydende videnskab. Men det er ved at ændre sig. For geofysikere baseret på LMU og det tekniske universitet i München (TUM) har bygget et instrument der, som sætter en ny standard inden for sit felt. Begravet i en underjordisk bunker bygget midt i dyrket mark og åbne marker, enheden fylder flere hundrede kubikmeter. Dens formål er at måle roterende jordbevægelser med større følsomhed og præcision end nogen anden eksisterende maskine.

Selv redaktørerne af det førende forskningstidsskrift Videnskab er tydeligt imponerede over dimensionerne – og mulighederne – af det nye instrument. I et nyhedsindslag, der dukkede op i et nyligt nummer af magasinet, den nye ringlaser omtales som det "mest sofistikerede" instrument af sin art i verden. Lederen af ​​ROMY-projektet (Rotational Motions in Seismology) er Heiner Igel, Professor i seismologi ved LMU. Konceptet gav ham et af de rigt begavede Advanced Investigator Grants tildelt af European Research Council (ERC), og LMU fortsatte med at levere den yderligere finansiering, der var nødvendig for dens endelige realisering. De indledende tests og eksperimenter har været vellykkede, og instrumentet bliver officielt taget i brug i denne uge.

Vores rastløse planet

Ringlasere er udsøgt følsomme over for rotationsbevægelser. De kan, for eksempel, måle jordens rotation med ekstrem høj præcision. Vores planet er aldrig i ro, roterer om sin egen akse hver dag og kredser om Solen en gang om året. Men det følger ikke helt det samme kursus år for år. Dens bane er underlagt minimale afvigelser. Faktisk, den opfører sig ligesom et barns snurretop:Hverken orienteringen af ​​dens akse eller hastigheden af ​​dens rotation er konstant. Det bliver ramt af stærke vinde i den øvre atmosfære og af havstrømme i dybden, og massive jordskælv slår den ud af kontrol. Men derefter, Jorden selv er alt andet end en perfekt kugle. Ikke underligt, at den ikke følger idealet om perfekt cirkulær bevægelse, som Aristoteles engang foreskrev for den.

I øvrigt, at kvantificere de minimale variationer i de mange forskellige komponenter i Jordens bevægelser er ikke udelukkende et spørgsmål af akademisk interesse. For eksempel, alle GPS-baserede navigationssystemer skal periodisk rekalibreres for at tage højde for disse variationer, som ellers ville give anledning til væsentlige fejl ved at bestemme sin position på kloden. Denne opgave udføres i øjeblikket ved hjælp af Very Long Baseline Interferometry (VLBI), som bruger et netværk af radioteleskoper til at bestemme afstandene mellem Jorden og udvalgte kvasarer i det dybe rum, der er millioner af lysår fra os. Men denne metode er kompliceret, og det tager dage at nå frem til det endelige resultat. München-forskerne mener, at deres nye ringlaser vil gøre dem i stand til at opnå mindst samme nøjagtighed på langt kortere tid. Hvis de har ret, resultater kunne opdateres inden for få sekunder i stedet for dage.

Men dette er kun en lille del af Heiner Igels vision for det nye high-end instrument. – Han har til hensigt at åbne en helt ny dimension i seismologien ved at bruge den til at udføre mere detaljerede analyser af seismisk inducerede jordbevægelser. For når et jordskælv opstår, jorden ryster ikke kun op og ned, og frem og tilbage. Rystelser er også karakteriseret ved vippe- og rotationsbevægelser omkring et fast punkt. Indtil nu, seismologer har måttet ignorere sådanne bevægelser, simpelthen fordi konventionelle seismometre ikke giver mulighed for at måle dem. Imidlertid, Igel mener – i modsætning til modtaget visdom – at et realistisk og fuldstændigt billede af jordens bevægelser under jordskælv kræver erhvervelse og integration af denne information.

Ja, han og hans kolleger håber, at den nye ringlaser vil give svar på en hel række åbne spørgsmål. For eksempel, rotationssensorer kan måle størrelsen af ​​vipning og roterende jordbevægelser, som bygningsingeniører har brug for for at øge stabiliteten af ​​bygninger i jordskælvszoner. Rotationssensorer kan også levere data, der giver indsigt i unormal magma-dynamik i aktive vulkaner, og dermed tjene til at forbedre kvaliteten af ​​tilsvarende modelleringsstudier. I kombination med andre metoder, sådanne målinger tillader geofysikere at undersøge egenskaberne og dynamikken i Jordens indre, Igel forklarer. Og det er ikke alt. ROMY lover også at kaste nyt lys over, hvordan verdenshavene interagerer fysisk med planeten, får den til at svinge permanent.

Det princip, som instrumentets drift er baseret på, blev først demonstreret af den franske fysiker Georges Sagnac kort før udbruddet af Første Verdenskrig:Han viste, at en lysstråle er rettet rundt om et lukket forløb (ved hjælp af spejle), den tid, det tager at fuldføre et kredsløb, er uafhængig af den retning, det udbreder sig i. Imidlertid, hvis apparatet drejes, strålen, der bevæger sig i samme forstand, som rotationen tager lidt længere tid for hver omgang – fordi den skal tilbagelægge en større afstand end en stråle, der transmitteres i den modsatte retning. På grund af denne forskel i vejlængde, to mod-udbredende stråler vil faseforskydes i forhold til hinanden og, når de kombineres igen, de producerer et typisk interferensmønster. På nøjagtig samme måde, når to toner, der er lidt ustemte, lyder sammen, de producerer en karakteristisk takttone, som varierer regelmæssigt i tonehøjde. I øvrigt, rotationshastigheden kan beregnes ud fra frekvensen af ​​den takttone, der produceres, når de mod-udbredende stråler er overlejret.

Igel og laserfysiker Ulrich Schreiber fra TUM brugte dette princip i deres design til ROMY til at måle spin- eller vippebevægelser. I dette tilfælde, laserstrålerne forplantes langs ikke én, men fire akser. Hver af de fire lysbaner danner kanterne af en ligesidet trekant med sider 12 m lange, Ved hver spids, lyset afledes af spejle, hvis positioner kan justeres med høj præcision. Sammen, de fire ringe danner ansigterne på en regulær, omvendt tetraeder, hvis spids ligger 15 m under jorden. Dette set-up gør det muligt for forskerne at måle rotationsbevægelser i alle retninger.

Fem km optisk fiber, stramt såret

"Det tog os to år at finde ud af, hvordan vi skulle bygge det, " siger Igel. For at sikre høj følsomhed, ringlaserne skal være afskærmet mod miljøinterferens. For eksempel, for at beskytte instrumentet mod grundvand, den var indesluttet i en tetraedrisk betonskal – som en plante i en urtepotte. Igel indså tidligt, at han skulle have sin kollega fra TUM ombord for at få projektet til at lykkes – for Schreiber havde allerede designet og bygget adskillige ringlasersystemer i Tyskland, New Zealand, USA, Italien og andre steder. ROMY, imidlertid, er uden tvivl hans mesterværk. At integrere computerstyret præcisionsteknik i et instrument med dimensioner på 12 m kræver et nyt niveau af omhyggelighed.

I mellemtiden instrumentet er ikke kun blevet testet og kalibreret, den har allerede udført en hel række målinger, som vil danne grundlag for flere publikationer. For eksempel, nogle af efterskælvene observeret efter rækken af ​​jordskælv i Norcia i det centrale Italien i oktober 2016 er blevet karakteriseret, samt den seismiske støj, der genereres af jordens oceaner.

Registrering af de hidtil ikke kvantificerbare hældnings- og rotationsbevægelser i marken, dvs. i nærheden af ​​det seismiske fokus for et jordskælv, vil kræve brug af bærbare instrumenter, Igel siger - og forskerne, der er ansvarlige for ROMY, har allerede taget et stort skridt mod dette mål. De er gået sammen med en specialistvirksomhed i Frankrig for at udvikle en bærbar fiberoptisk-baseret sensor, og de første prototyper var udstillet på en stor geovidenskabskonference afholdt i Wien i april. Disse instrumenter bruger en ekstremt tynd optisk fiber på 5 km lang, som er viklet op på en spole:"En rigtig milepæl, " Igel begejstret. De første målinger udført i det centrale Italien, og på den vulkanske ø Stromboli ud for Siciliens nordkyst "se godt ud, " han siger.

Pionererne i München håber, at andre vil følge ROMY's eksempel. Hvis så, vi skulle en dag have et globalt netværk af ringlaser-seismometre, som endelig kan give os et virkelig omfattende billede af dynamikken i Jordens bevægelser. I et sådant netværk, Fürstenfeldbrucks ring ville fungere som en vigtig knude – et hotspot, så at sige.