Enregistrer les premières mesures quotidiennes des changements de rotation de la Terre

Des chercheurs de l’Université technique de Munich (TUM) ont réussi à mesurer la rotation de la Terre avec plus de précision que jamais. Le laser annulaire de l’observatoire géodésique de Wettzell peut désormais être utilisé pour capturer des données d’un niveau de qualité sans précédent partout dans le monde. Les mesures seront utilisées pour déterminer la position de la Terre dans l’espace, bénéficieront à la recherche climatique et rendront les modèles climatiques plus fiables.

Souhaitez-vous descendre rapidement les escaliers et voir à quelle vitesse la Terre a tourné au cours des dernières heures ? C’est désormais possible à l’Observatoire géodésique de Wettzell. Les chercheurs de TUM y ont amélioré le laser annulaire afin qu’il puisse fournir des données actuelles quotidiennes, ce qui n’était pas encore possible avec des niveaux de qualité comparables.

Que mesure exactement un laser annulaire ? Au cours de son voyage dans l’espace, la Terre tourne sur son axe à des vitesses légèrement variables. De plus, l’axe autour duquel tourne la planète n’est pas complètement fixe, il oscille légèrement. En effet, notre planète n’est pas complètement solide, mais est composée de différentes parties, certaines solides et d’autres liquides. Par conséquent, l’intérieur de la Terre lui-même est en mouvement constant. Ces changements de masse accélèrent ou ralentissent la rotation de la planète, différences qui peuvent être détectées à l’aide de systèmes de mesure comme le laser annulaire TUM.

« Les fluctuations de la circulation ne sont pas seulement importantes pour l’astronomie, mais nous en avons également un besoin urgent pour créer des modèles climatiques précis et mieux comprendre les phénomènes météorologiques tels qu’El Niño », explique le professeur Ulrich Schreiber. « Plus les données sont précises, plus les prévisions sont précises. sont. » , qui a dirigé le projet à l’Observatoire TUM.

Capteurs révisés et algorithme correctif

Lors de la fixation du système laser annulaire, l’équipe a donné la priorité à la recherche d’un bon équilibre entre taille et stabilité mécanique, car plus un tel dispositif est grand, plus les mesures peuvent être sensibles. Cependant, la taille implique des compromis en termes de stabilité et donc de précision.

Un autre défi était la symétrie entre les deux faisceaux laser opposés, qui constitue le cœur du système de Wetzel. Une mesure précise ne peut être effectuée que lorsque les formes d’onde des deux faisceaux laser à propagation inverse sont presque identiques. Cependant, la conception du dispositif fait qu’une certaine asymétrie est toujours présente.

Au cours des quatre dernières années, les scientifiques en géodésie ont utilisé un modèle théorique d’oscillations laser pour capturer avec succès ces effets systématiques, au point qu’ils peuvent être calculés avec précision sur une longue période de temps et ainsi être éliminés des mesures.

Les mesures de l’appareil sont devenues sensiblement plus précises

L’appareil peut utiliser ce nouvel algorithme correctif pour mesurer la rotation de la Terre avec une précision allant jusqu’à 9 décimales, soit l’équivalent d’une fraction de milliseconde par jour. Pour les lasers, cela équivaut à une incertitude commençant à la 20e décimale seulement de la fréquence lumineuse et stable pendant plusieurs mois.

En général, les fluctuations ascendantes et descendantes observées ont atteint des valeurs allant jusqu’à 6 ms sur environ 2 semaines.

Les améliorations apportées aux lasers ont désormais rendu les intervalles de mesure beaucoup plus courts. Un logiciel de correctifs nouvellement développé permet à l’équipe de capturer les données actuelles toutes les trois heures.

« Dans les sciences de la Terre, des niveaux de résolution temporelle aussi élevés sont complètement nouveaux pour les lasers annulaires autonomes », explique Urs Hugentobler, professeur de géodésie satellitaire à la TUM. « Contrairement à d’autres systèmes, le laser fonctionne de manière totalement autonome et ne nécessite pas de points de référence dans l’espace. . » Traditionnellement, ces points de référence sont créés en observant les étoiles ou en utilisant des données satellitaires. Mais nous sommes indépendants de ce genre de choses et également très méticuleux.

Les données capturées indépendamment de l’observation des étoiles peuvent aider à identifier et à compenser les erreurs systématiques dans d’autres méthodes de mesure. L’utilisation de différentes méthodes contribue à rendre le travail particulièrement précis, surtout lorsque les exigences de précision sont élevées, comme c’est le cas avec les lasers annulaires. D’autres améliorations du système sont prévues à l’avenir, ce qui permettra des périodes de mesure plus courtes.

Les lasers annulaires mesurent l’interférence entre deux faisceaux laser

Les lasers en anneau sont constitués d’un trajet de faisceau carré fermé avec quatre miroirs entièrement entourés par un objet spécifique, appelé résonateur. Cela empêche la longueur du trajet de changer en raison des fluctuations de température. Le mélange gazeux hélium/néon à l’intérieur du résonateur permet d’exciter deux faisceaux laser, l’un dans le sens des aiguilles d’une montre et l’autre dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Sans le mouvement de la Terre, la lumière parcourrait la même distance dans les deux directions. Mais comme l’appareil se déplace avec la Terre, la distance d’un des faisceaux laser est plus courte, car la rotation de la Terre rapproche les miroirs du faisceau. Dans la direction opposée, la lumière parcourt une plus grande distance.

Cet effet crée une différence dans les fréquences des deux ondes lumineuses dont la superposition génère une tonalité rythmique mesurable de manière très précise. Plus la Terre tourne vite, plus la différence entre les deux fréquences optiques est grande. À l’équateur, la Terre tourne de 15 degrés vers l’est toutes les heures. Cela crée un signal de 348,5 Hz dans le TUM. Les fluctuations de la durée du jour apparaissent à des valeurs allant de 1 à 3 millionièmes de hertz (1-3 microHz).

Chaque côté de l’anneau laser situé dans le sous-sol de l’observatoire de Wettzell mesure quatre mètres de long. Cette structure est ensuite installée sur une solide colonne en béton, reposant sur la base solide de la croûte terrestre à une profondeur d’environ six mètres. Cela garantit que la rotation de la Terre est le seul facteur affectant les faisceaux laser et exclut les autres facteurs environnementaux.

La construction est protégée par une chambre sous pression, qui compense les changements de pression de l’air ou de température requise de 12°C et compense automatiquement ces changements. Afin de réduire ces facteurs d’influence, le laboratoire est situé à cinq mètres de profondeur sous une colline artificielle. Il a fallu près de 20 ans de recherche pour développer le système de mesure.

L’étude est publié Dans le magazine Photonique naturelle.