Обо всех тонкостях вращения Земли в пространстве учёные привыкли судить, наблюдая за далёкими объектами в космосе как за опорными точками. Однако физики нашли способ отследить раскачку оси планеты прямо в лаборатории.
Этот лазерный гироскоп показал, как «шатается Земля», продемонстрировав в миллионы раз большую чувствительность, чем его собратья из мира аэрокосмической техники (фото Carl Zeiss AG).
Специалисты из геодезической обсерватории Веттцелль (Geodätisches Observatorium Wettzell) технического университета Мюнхена, а также ряда других германских научных учреждений построили и успешно апробировали самый стабильный в мире и самый чувствительный лазерный гироскоп.
Он смог уловить тончайшие (в доли угловой секунды) отклонения в оси вращения нашей планеты, циклически происходящие с периодом в год и больше. При этом данные оказались хорошо согласованы с параметрами, измеренными Международной службой вращения Земли (IERS) при помощи иных методов.
Пример смещения оси вращения Земли (по вертикали – дни, по осям x и y – отклонение в угловых секундах) (иллюстрация с сайта wikipedia.org).
"Колебания волчка" вызваны тем, что Земля – не идеально круглый объект. При этом на ней ещё происходят постоянные перемещения масс (океанские течения, изменение атмосферного давления над разными регионами и так далее).
Вкупе с гравитационным влиянием Солнца и Луны это генерирует смещение оси с амплитудой примерно в 12 метров (по шесть в каждую сторону относительно среднего положения), считая по поверхности Земли у полюса — так называемые колебания Чендлера (Chandler wobble).
Они происходят с периодом около 435 дней. Но на них накладываются ещё годовые колебания оси вращения, связанные с эллиптичностью земной орбиты. Вместе эти два процесса создают сложное движение полюса (polar motion) (не путать с дрейфом магнитных полюсов).
Чувствительность кольцевых лазерных гироскопов зависит от площади, ограниченной лучами (чем больше, тем лучше). В немецком монстре это квадрат 4 х 4 метра. На рисунке показана упрощённая схема рекордного прибора с основными узлами (иллюстрация Geodätisches Observatorium Wettzell).
Учёт таких сдвигов важен для геодезии, наблюдения за космическими телами, спутниковой навигации. Но до сих пор тут учёным приходилось полагаться на космос. В наше время 30 радиотелескопов по всему миру регулярно отслеживают направление на определённые квазары. Эти ядра галактик столь далеки, что для нас могут считаться неподвижными точками.
И всё-таки всегда оставалась вероятность, что опорные «маяки» на деле не вполне стационарны. Потому немецкие учёные решили разработать технологию, устраняющую любые систематические ошибки и вообще необходимость смотреть на небо.
В середине 1990-х годов они начали проектирование и постройку уникального лазерного гироскопа. По словам лидера проекта Карла Ульриха Шрайбера (Karl Ulrich Schreiber, на фото под заголовком), в то время над идеей посмеивались, так как сложно было представить прибор требуемой точности.
Напомним, в таких устройствах два лазерных луча бегают навстречу друг другу по закольцованной при помощи зеркал трассе. Через полупрозрачное зеркало датчики постоянно следят за картиной интерференции этих лучей, а она меняется, лишь стоит плоскости гироскопа повернуться вокруг перпендикулярной оси.
Принцип работы кольцевого лазерного гироскопа (красным показан лазер, серым – зеркала, прямые стрелки – бег лучей, отмечен также поворот установки вместе с Землёй). Нужно отметить, что если бы прибор стоял на полюсе (а лазерные лучи бегали в горизонтальной плоскости), датчики показывали бы один оборот в сутки. На экваторе при том же расположении установки по горизонтали она не чувствовала 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 вызывает тут изменение в измеряемой скорости вращения установки (иллюстрация Geodätisches Observatorium Wettzell).
Чтобы такой аппарат не просто измерил вращение Земли, а уловил сдвиг в пространственном положении её оси, идущий месяцы, авторам проекта пришлось изрядно попотеть. Они должны были убедиться, что на прибор не влияют никакие посторонние факторы.
Установку смонтировали в пяти метрах под уровнем земли, изолировав камеру сверху многометровыми слоями глины и других материалов.
В комнату с прибором ведёт 20-метровый тоннель с пятью герметичными дверями. Внутри сохраняются более-менее стабильные температура и давление.
Вдобавок приборы постоянно измеряют эти параметры, и малейшие отклонения учитываются далее при расчётах.
Сам гироскоп смонтирован на девятитонной плите из керамики Zerodur, обладающей очень малым 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 бетонном столбе (он хорошо виден на кадрах со стройки), уходящем в скальную породу на шесть метров вглубь, повествует PhysOrg.com.
Схема «бункера» с лазерным гироскопом (сам он показан чёрным). Внизу видно массивное основание, сверху – защитные короба и слои, изолирующие прибор и весь бункер от внешних воздействий. Слева виден туннель для доступа к установке, под ним – дренажный канал (иллюстрация Geodätisches Observatorium Wettzell).
Все эти ухищрения ныне увенчались полным успехом. Теперь команда из университета Мюнхена намерена улучшить установку, чтобы можно было получать данные об отклонении земной оси, произошедшем не за полгода-год, а всего за день.
Дальше учёные попробуют настроить прибор так, чтобы он мог работать годами без ошибок. Тогда можно было бы в любой момент посмотреть на показания сенсоров и узнать, как сейчас вращается наша планета.
Необычная система смонтирована в подземной лаборатории. На снимках – этапы строительства (фотографии Geodätisches Observatorium Wettzell).
