En første for et unikt instrument

Geofysikere ved Ludwig-Maximilians Universitaet (LMU) i München har målt Jordens spin og akseorientering med en ny ringlaser, og tilvejebragte den mest præcise bestemmelse af disse parametre, der endnu er opnået af et jordbaseret instrument uden behov for at finde stjernernes rækkevidde.

Begravet blandt græsgange og dyrkningsarealer nær byen Fürstenfeldbruck vest for München ligger et videnskabeligt instrument, der er 'one of a kind'. Det er en ringlaser ved navn ROMY, som i det væsentlige er en rotationssensor. Da det stod færdigt for tre år siden, det prestigefyldte forskningstidsskrift Videnskab hyldet ROMY som "det mest sofistikerede instrument af sin type i verden." Akronymet refererer til en af ​​dets anvendelser - detektering af rotationsbevægelser i seismologi. Men ud over at kvantificere jordrotation forårsaget af jordskælv, ROMY kan mærke små ændringer i Jordens rotationshastighed såvel som ændringer i dens orienteringsakse. Disse udsving er ikke kun forårsaget af seismiske hændelser, men af ​​faktorer som havstrømme og skift i fordelingen af ​​ismasser, blandt andre faktorer.

Nu rapporterer en gruppe geofysikere ledet af professorerne Heiner Igel (LMU) og Ulrich Schreiber (Münchens Tekniske Universitet) resultaterne af de første kontinuerlige højpræcisionsmålinger af Jordens rotationsparametre i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve . Forfatterne henviser til dataene som et 'proof of concept' - og resultaterne viser, at ROMY har bestået sin første rigtige test med glans. "Det er det mest præcise instrument til måling af jordrotationer i verden, " siger Igel, Professor i seismologi ved LMU. Nøjagtig kvantificering af rotationsbevægelser er også vigtig for at bestemme bidraget fra seismisk støj til de data, der er erhvervet af de to gravitationsbølgedetektorer, der i øjeblikket er i drift (LIGO og LIGO Virgo). Så ROMYs applikationer strækker sig langt ud over observationsseismologi på vores planet.

Ved hjælp af en bevilling fra Det Europæiske Forskningsråd (ERC), Igel og Schreiber udviklede konceptet for ROMY-ringlaseren. Opførelsen af ​​observatoriet, som stort set blev finansieret af LMU München, var en yderst udfordrende opgave. Selv betonkonstruktionen, som ROMY er anbragt i, skulle opføres med millimeterpræcision. ROMY består af et sæt af fire ringlasere, der danner flader af et omvendt tetraeder (og hver side er 12 m lang). To laserstråler cirkulerer i modsatte retninger rundt om hver side af instrumentet. Den stråle, der bevæger sig i rotationsretningen, tager længere tid end sin modpart at fuldføre hver omgang. Dette får igen dens bølgelængde til at blive strakt, mens andet er komprimeret. Forskellen i bølgelængde afhænger af den præcise orientering af hver flade med hensyn til retningen og orienteringen af ​​Jordens rotation. Data fra tre af de fire ringe er tilstrækkelige til at bestemme alle parametrene for planetarisk rotation.

Det faktum, at ringlaseren mere end har opfyldt sine designkriterier, er naturligvis en lettelse – og en kilde til stor tilfredshed – for Igel. "Vi er i stand til at måle ikke kun orienteringen af ​​Jordens rotationsakse, men også dens spinhastighed, " forklarer han. Den hidtil anvendte metode til at måle disse parametre med høj nøjagtighed er afhængig af meget lang baseline interferometri (VLBI). Dette kræver brug af et verdensomspændende netværk af radioteleskoper, som bruger ændringer i den relative timing af pulserende emissioner fra fjerne kvasarer til at bestemme deres egne positioner. På grund af inddragelsen af ​​flere observatorier, VLBI-dataene kan først analyseres efter flere timer. ROMY har nogle betydelige fordele i forhold til denne tilgang. Det udsender data virtuelt i realtid, som gør det muligt at overvåge kortsigtede ændringer i rotationsparametre. Dermed, den nye undersøgelse er baseret på kontinuerlige observationer over en periode på mere end 6 uger. I løbet af denne tid, ROMY registrerede ændringer i den gennemsnitlige orientering af Jordens akse på mindre end 1 buesekund.

I fremtiden og med yderligere forbedringer, ROMYs højpræcisionsmålinger vil supplere de data, der er opnået med VLBI-strategien, og vil tjene som standardværdier for geodæsi og seismologi. Målingerne er også af potentiel videnskabelig interesse inden for områder som jordskælvs fysik og seismisk tomografi, siger Igel. "I forbindelse med seismologi, vi har allerede fået meget værdifulde data om jordskælv og seismiske bølger forårsaget af havstrømme, " tilføjer han.