Después de 30 años de minucioso desarrollo, investigadores de Alemania y Nueva Zelanda han presentado un giroscopio láser que puede rastrear las fluctuaciones en la rotación de la Tierra casi en tiempo real y con una precisión de varios milisegundos. La técnica es mucho más sencilla que los métodos actuales y podría proporcionar más información sobre los fenómenos que causan las fluctuaciones, como los cambios en las corrientes oceánicas.
La Tierra gira una vez al día, pero hay pequeñas fluctuaciones en la velocidad y dirección de la rotación de nuestro planeta. Algunas de estas fluctuaciones se comprenden bien, por ejemplo las causadas por las fuerzas de marea de la Luna y el Sol.
Otras pequeñas fluctuaciones no se comprenden bien, incluidas las relacionadas con el intercambio de impulso entre la Tierra sólida y los océanos, la atmósfera y las capas de hielo. Estos efectos pueden surgir de eventos climáticos como la oscilación sur de El Niño, que cambian las corrientes oceánicas. Como resultado, medir las fluctuaciones en la rotación de la Tierra podría arrojar luz sobre procesos importantes en la atmósfera.
Medidas combinadas
La mayoría de los estudios de rotación implican combinar datos de sistemas globales de navegación por satélite; observaciones radioastronómicas de quásares con líneas de base muy largas; y alcance láser. Debido a la complejidad que supone combinar estas técnicas, sólo se puede realizar una medición al día.
Ahora, un equipo encabezado por ulrich schreiber de la Universidad Técnica de Munich ha creado un giroscopio láser que puede medir pequeñas fluctuaciones casi en tiempo real. Además, su instrumento cabe en una habitación grande.
En su interior hay una cavidad óptica que guía la luz a lo largo de un camino cuadrado de 16 m de largo. Un par de rayos láser se envían alrededor de la cavidad en direcciones opuestas creando un giroscopio láser anular. Esto funciona según el principio de que la rotación del giroscopio afecta el patrón de interferencia que se crea cuando los dos haces se combinan en un detector. Estos giroscopios se utilizan en sistemas de navegación inercial a bordo de algunos aviones y submarinos.
laboratorio del sótano
"A diferencia de otras técnicas [para medir la rotación de la Tierra], nuestro láser anular es autónomo y puede caber en el laboratorio de nuestro sótano, lo que nos permite leer instantáneamente la rotación de la Tierra casi en tiempo real", explica Schreiber. "Ahora, después de 30 años de esfuerzo experimental, hemos logrado recuperar la señal de interés".
Para llegar a este punto, el equipo necesitó afinar cinco aspectos clave del funcionamiento del giroscopio láser. En primer lugar, el instrumento debía ser lo suficientemente sensible como para resolver variaciones tan sutiles como 3 ppb de la velocidad de rotación de la Tierra. De hecho, este fue uno de los desafíos más fáciles que enfrentaron y pudo superarse simplemente haciendo que el giroscopio tuviera 16 m de longitud.
A partir de ahí, la tarea del equipo se volvió más difícil. "El sensor tenía que ser extremadamente estable", dijo Schreiber sobre el segundo desafío. “No podemos permitir que se desvíe porque incluso la más mínima falta de estabilidad generaría una señal aparente que ahogaría nuestro esfuerzo por completo. La estabilidad ha sido la parte más difícil de lograr”.
Corrección de errores elaborada
La tercera tarea que abordó el equipo fue cómo abordar los errores introducidos por la orientación variable del eje de rotación de la Tierra. Estos se solucionaron mediante un elaborado método de corrección de errores.
"El siguiente problema es que sólo tenemos un componente giroscópico, sino tres direcciones espaciales", continúa Schreiber. “Esto significa que necesitamos rastrear la inclinación de nuestro instrumento hasta el nivel de 3 nrad, que es un ángulo muy, muy pequeño. Un cambio de orientación hace que cambie la proyección del vector de rotación de la tierra, lo cual no es más que una deriva y eso es una señal falsa”.
Finalmente, los dos rayos láser del giroscopio no funcionan de forma completamente independiente uno del otro. Esto significa que las mediciones del giroscopio pueden variar a largo plazo. Para contrarrestar este problema, el equipo ha pasado años desarrollando un modelo de dinámica láser que puede reconocer y eliminar cualquier desviación en las lecturas del giroscopio.
Un giroscopio óptico en un chip puede detectar la rotación de la Tierra
Ahora, después de décadas de arduo trabajo, el instrumento del equipo controla estos cinco factores al mismo tiempo, lo que le permite monitorear la velocidad de rotación de la Tierra con una resolución de solo unos pocos milisegundos durante 120 días.
Tras superar este impresionante hito, el equipo de Schreiber ahora puede realizar un seguimiento de las variaciones en la duración del día de forma continua y en tiempo real. Esto podría ayudar a proporcionar conocimientos más profundos sobre cómo la Tierra sólida intercambia impulso con el aire, el agua y el hielo en su superficie.
De cara al futuro, los investigadores pretenden ampliar aún más la estabilidad de su giroscopio. "Esto nos permitirá captar el efecto estacional de estas transferencias de impulso", afirma Schreiber. "Por el momento, sólo podemos observar las señales destacadas en un período de aproximadamente 14 días, por lo que todavía tenemos una serie de desafíos por delante".
La investigación se describe en Nature Photonics.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/laser-gyroscope-measures-tiny-fluctuations-in-earths-rotation/
