慕尼黑工业大学的科学家在以前所未有的精度测量地球自转方面取得了重大进展。现在，Wettzell 大地测量天文台的环形激光可用于以世界上任何地方都无法比拟的质量水平捕获数据。这些测量对于确定地球在太空中的位置、帮助气候研究和提高气候模型的可靠性至关重要。
先进的环形激光技术
想快速走到地下室，看看地球在过去几个小时里转得有多快吗?现在，您可以在Wettzell大地测量天文台。TUM的研究人员已经改进了那里的环形激光器，以便它可以提供每日电流数据，到目前为止，这在可比的质量水平上是不可能的。
环形激光器究竟测量什么?在穿越太空的过程中，地球绕其轴旋转的速度略有不同。此外，行星旋转的轴不是完全静止的，它有点摇晃。这是因为我们的星球不是完全固体，而是由各种组成部分组成的，有些是固体，有些是液体。因此，地球本身的内部是不断运动的。这些质量变化会加速或制动行星的自转，这些差异可以使用TUM环形激光器等测量系统进行检测。
“旋转的波动不仅对天文学很重要，我们也迫切需要它们来创建准确的气候模型，并更好地了解厄尔尼诺等天气现象。数据越精确，预测就越准确，“在TUM天文台领导该项目的Ulrich Schreiber教授说。
技术改进和挑战
在检修环形激光系统时，该团队优先考虑在尺寸和机械稳定性之间找到良好的平衡，因为这种设备越大，它可以进行的测量就越灵敏。然而，尺寸意味着在稳定性和精度方面做出妥协。
另一个挑战是两个相对激光束的对称性，这是Wettzell系统的核心。只有当两个反向传播激光束的波形几乎相同时，才能进行精确测量。然而，该器件的设计意味着始终存在一定程度的不对称性。在过去的四年中，大地测量学家使用激光振荡的理论模型成功地捕捉到了这些系统效应，以至于它们可以在很长一段时间内精确计算，因此可以从测量中消除。
提高精度和应用
该设备可以使用这种新的校正算法来精确测量地球的自转，精确到小数点后 9 位，相当于每天几分之一毫秒。就激光束而言，这相当于从光频率的小数点后 20 位开始的不确定性，并稳定了几个月。总体而言，在大约两周的时间内，观察到的上下波动达到了多达 6 毫秒的值。
激光的改进现在也大大缩短了测量周期。新开发的纠正程序使团队能够每三个小时捕获一次当前数据。TUM卫星大地测量学教授Urs Hugentobler说：“在地球科学中，如此高的时间分辨率水平对于独立的环形激光器来说绝对是新颖的。与其他系统相比，激光器完全独立运行，不需要空间中的参考点。在传统系统中，这些参考点是通过观测恒星或使用卫星数据来创建的。但我们独立于这种事情，而且非常精确。独立于恒星观测捕获的数据可以帮助识别和补偿其他测量方法中的系统误差。使用各种方法有助于使工作变得特别细致，尤其是在精度要求很高的情况下，例如环形激光器。未来计划进一步改进该系统，从而实现更短的测量周期。
了解环形激光器
环形激光器由一个封闭的方形光束路径组成，其中四个反射镜完全封闭在Ceran微晶玻璃体中，称为谐振器。这样可以防止路径的长度因温度波动而改变。谐振器内的氦气/氖气混合物可实现顺时针和逆时针的激光束激发。
如果没有地球的运动，光将在两个方向上传播相同的距离。但是由于设备与地球一起移动，因此其中一束激光的距离更短，因为地球的自转使镜子更靠近光束。在相反的方向上，光传播的距离相应更长。这种效应在两个光波的频率上产生了差异，其叠加产生了一个可以非常精确地测量的节拍音符。地球自转的速度越高，两个光频率之间的差异就越大。在赤道，地球每小时向东旋转 15 度。这会在 TUM 器件中产生 348.5 Hz 的信号。一天长度的波动表现为百万分之一赫兹的 1 到 3 百万分之一。
强大而精确的基础设施
位于韦策尔天文台地下室的环形激光器的每个侧面都有四米长。然后，该结构被锚定在坚固的混凝土柱上，该柱子位于地壳的坚固基岩上，深度约为六米。这确保了地球自转是影响激光束的唯一因素，并排除了其他环境因素。该结构由一个加压室保护，该加压室可补偿气压或所需温度 12 摄氏度的变化，并自动补偿这些变化。为了尽量减少这些影响因素，实验室位于人工山下五米深处。近 20 年的研究工作已经投入到测量系统的开发中。
