经过30年的潜心研发，德国和新西兰的研究人员推出了一种激光陀螺仪，可以近乎实时地跟踪地球自转的波动，精度可达几毫秒。该技术比现有方法简单得多，并且可以进一步深入了解引起波动的现象，例如洋流的变化。
地球一天自转一周，但地球自转的速度和方向存在微小的波动。其中一些波动是众所周知的——例如由月球和太阳的潮汐力引起的波动。
其他微小的波动还没有被很好地理解，包括那些与固体地球和海洋、大气和冰盖之间的动量交换有关的波动。这些影响可能是由改变洋流的厄尔尼诺南方涛动等气候事件引起的。因此，测量地球自转的波动可以揭示大气中的重要过程。
组合测量
大多数旋转研究涉及结合来自全球卫星导航系统的数据；类星体的甚长基线射电天文观测；和激光测距。由于组合这些技术的复杂性，每天只能进行一次测量。
现在，慕尼黑工业大学乌尔里希·施赖伯（Ulrich Schreiber）领导的团队创造了一种激光陀螺仪，可以近乎实时地测量微小的波动。更重要的是，他们的仪器可以放入一个大房间。
其核心是一个光学腔，可引导光线绕 16 m 长的方形路径运行。一对激光束以相反的方向围绕腔体发送，形成环形激光陀螺仪。其工作原理是陀螺仪的旋转会影响两束光束在探测器处组合时产生的干涉图案。这种陀螺仪用于一些飞机和潜艇的机载惯性导航系统。
地下室实验室
“与[测量地球自转]的其他技术相比，我们的环形激光器是独立的，可以安装在我们的地下室实验室中，使我们能够几乎实时地即时读取地球的自转，”施赖伯解释道。“现在，经过 30 年的实验努力，我们已经成功恢复了感兴趣的信号。”
为了达到这一点，团队需要微调激光陀螺仪操作的五个关键方面。首先，仪器需要足够灵敏，能够解析地球自转速度 3 ppb 的细微变化。事实上，这是他们面临的最简单的挑战之一，只需将陀螺仪制作成 16 m 长即可克服。
从这里开始，团队的任务变得更加困难。“传感器需要非常稳定，”施赖伯谈到第二个挑战时说道。“我们不能让它发生漂移，因为即使是最微小的稳定性缺失也会产生明显的信号，这将完全淹没我们的努力。稳定性是最难实现的部分。”
精心纠错
该团队解决的第三个任务是如何处理地球自转轴方向变化带来的误差。这些问题已通过精心设计的纠错方法得到解决。
“下一个问题是我们只有一个陀螺仪组件，但有三个空间方向，”施赖伯继续说道。“这意味着我们需要将仪器的倾斜度跟踪到 3 nrad 的水平，这是一个非常非常小的角度。方向的变化会导致地球自转矢量的投影发生变化，这只不过是漂移，这是一个错误信号。”
最后，陀螺仪的双激光束并不是完全独立运行的。这意味着陀螺仪的测量结果可能会长期漂移。为了解决这个问题，该团队花了数年时间开发一种激光动力学模型，该模型可以识别并消除陀螺仪读数中的任何漂移。
现在，经过数十年的努力，该团队的仪器可以同时控制所有五个因素，使其能够在 120 天内以几毫秒的分辨率监测地球的自转速率。
跨越了这一令人印象深刻的里程碑后，施赖伯的团队现在能够连续、实时地跟踪一天长度的变化。这有助于更深入地了解固体地球如何与其表面的空气、水和冰交换动量。
展望未来，研究人员现在的目标是进一步提高陀螺仪的稳定性。“这将使我们能够捕捉到这些动量转移的季节性影响，”施赖伯说。“目前，我们只能观察大约14天的显着信号，因此我们仍然面临许多挑战。”
该研究在《自然光子学》中进行了描述。
