Dünyanın dönüş değişimlerinin ilk günlük ölçümlerinin kaydedilmesi

Münih Teknik Üniversitesi’ndeki (TUM) araştırmacılar, Dünya’nın dönüşünü her zamankinden daha kesin bir şekilde ölçmeyi başardılar. Jeodezik Gözlemevi Wettzell’deki halka lazer artık dünyanın hiçbir yerinde emsalsiz bir kalite seviyesinde veri yakalamak için kullanılabiliyor. Ölçümler, Dünya’nın uzaydaki konumunu belirlemek, iklim araştırmalarına fayda sağlamak ve iklim modellerini daha güvenilir hale getirmek için kullanılacak.

Bodruma hızlı bir adım atıp Dünya’nın son birkaç saatte ne kadar hızlı döndüğünü görmek ister misiniz? Artık Jeodezik Gözlemevi Wettzell’de bunu yapabilirsiniz. TUM araştırmacıları buradaki halka lazeri, şimdiye kadar karşılaştırılabilir kalite seviyelerinde mümkün olmayan günlük güncel verileri sağlayabilecek şekilde geliştirdiler.

Halka lazer tam olarak neyi ölçer? Dünya, uzaydaki yolculuğu sırasında kendi ekseni etrafında biraz değişen hızlarda döner. Ayrıca gezegenin etrafında döndüğü eksen tamamen durağan değil, biraz sallanıyor. Bunun nedeni, gezegenimizin tamamen katı olmayıp, bazısı katı, bazısı sıvı olan çeşitli bileşen parçalarından oluşmasıdır. Yani Dünya’nın içi sürekli hareket halindedir. Kütledeki bu değişimler gezegenin dönüşünü hızlandırır veya frenler; bu farklar TUM halka lazeri gibi ölçüm sistemleri kullanılarak tespit edilebilir.

Prof. Ulrich Schreiber, “Dönmedeki dalgalanmalar yalnızca astronomi için önemli değil, aynı zamanda doğru iklim modelleri oluşturmak ve El Niño gibi hava olaylarını daha iyi anlamak için onlara acilen ihtiyacımız var. Veriler ne kadar kesin olursa, tahminler de o kadar doğru olur” diyor. TUM Gözlemevi’nde projeyi yöneten kişi.

Sensörler ve düzeltici algoritma revize edildi

Ekip, halka lazer sistemini elden geçirirken boyut ve mekanik stabilite arasında iyi bir denge bulmaya öncelik verdi; çünkü böyle bir cihaz ne kadar büyükse, yapabileceği ölçümler de o kadar hassas olur. Ancak boyut, stabilite ve dolayısıyla hassasiyet açısından ödün verilmesi anlamına gelir.

Diğer bir zorluk ise Wettzell sisteminin kalbi olan iki karşıt lazer ışınının simetrisiydi. Kesin ölçüm ancak karşıt yönde yayılan iki lazer ışınının dalga biçimleri neredeyse aynı olduğunda mümkündür. Ancak cihazın tasarımı, belirli bir miktarda asimetrinin her zaman mevcut olduğu anlamına gelir.

Son dört yılda jeodezistler, bu sistematik etkileri uzun bir süre boyunca kesin olarak hesaplanabilecek ve dolayısıyla ölçümlerden çıkarılabilecek ölçüde başarılı bir şekilde yakalamak için lazer salınımlarına yönelik teorik bir model kullandılar.

Cihaz ölçümleri önemli ölçüde daha hassastır

Cihaz, bu yeni düzeltme algoritmasını kullanarak Dünya’nın dönüşünü günde bir milisaniyenin çok küçük bir kısmına karşılık gelen 9 ondalık basamağa kadar hassas bir şekilde ölçebilir. Lazer ışınları açısından bu, ışık frekansının yalnızca 20. ondalık basamağından başlayan ve birkaç ay boyunca sabit kalan bir belirsizliğe eşdeğerdir.

Genel olarak gözlemlenen yukarı ve aşağı dalgalanmalar yaklaşık iki hafta boyunca 6 milisaniyeye varan değerlere ulaştı.

Lazerdeki gelişmeler artık önemli ölçüde daha kısa ölçüm sürelerini de mümkün kıldı. Yeni geliştirilen düzeltme programları, ekibin her üç saatte bir güncel verileri yakalamasına olanak tanıyor.

TUM’da Uydu Jeodezi Profesörü Urs Hugentobler şunları söylüyor: “Yer bilimlerinde, bu kadar yüksek zaman çözünürlüğü seviyeleri, bağımsız halka lazerler için kesinlikle yenidir. Diğer sistemlerin aksine, lazer tamamen bağımsız olarak çalışır ve uzayda referans noktalarına ihtiyaç duymaz. Geleneksel sistemlerde bu referans noktaları yıldızların gözlemlenmesiyle veya uydu verileri kullanılarak oluşturuluyor. Ancak biz bu tür şeylerden bağımsızız ve aynı zamanda son derece hassasız.”

Yıldız gözleminden bağımsız olarak elde edilen veriler, diğer ölçüm yöntemlerindeki sistematik hataların belirlenmesine ve telafi edilmesine yardımcı olabilir. Çeşitli yöntemlerin kullanılması, özellikle halka lazerde olduğu gibi doğruluk gereksinimlerinin yüksek olduğu durumlarda işin özellikle titiz yapılmasına yardımcı olur. Gelecekte, ölçüm sürelerinin daha da kısalmasını sağlayacak şekilde sistemin daha da geliştirilmesi planlanıyor.

Halka lazerler iki lazer ışını arasındaki girişimi ölçer

Halka lazerler, rezonatör olarak adlandırılan, tamamen belirli bir gövde içine alınmış dört aynalı kapalı, kare ışın yolundan oluşur. Bu, sıcaklık dalgalanmaları nedeniyle yolun uzunluğunun değişmesini önler. Rezonatörün içindeki helyum/neon gazı karışımı, biri saat yönünde, diğeri saatin tersi yönünde lazer ışınının uyarılmasını sağlar.

Dünyanın hareketi olmasaydı ışık her iki yönde de aynı mesafeyi katederdi. Ancak cihaz Dünya ile birlikte hareket ettiğinden, dünyanın dönüşü aynaları ışına yaklaştırdığından lazer ışınlarından birinin mesafesi daha kısa olur. Ters yönde ışık buna uygun olarak daha uzun bir mesafe kat eder.

Bu etki, süperpozisyonu tam olarak ölçülebilen bir vuruş notası oluşturan iki ışık dalgasının frekanslarında bir fark yaratır. Dünyanın dönme hızı ne kadar yüksek olursa, iki optik frekans arasındaki fark da o kadar büyük olur. Ekvatorda Dünya her saat başı 15 derece doğuya döner. Bu, TUM cihazında 348,5 Hz’lik bir sinyal üretir. Bir günün uzunluğundaki dalgalanmalar, Hz’nin 1 ila 3 milyonda biri (1-3 mikrohertz) arasındaki değerlerle ortaya çıkar.

Wettzell Gözlemevi’nin bodrumunda bulunan halka lazerin her iki tarafı da dört metre uzunluğundadır. Bu yapı daha sonra yaklaşık altı metre derinlikte yer kabuğunun sağlam ana kayası üzerinde duran sağlam bir beton kolona sabitleniyor. Bu, Dünya’nın dönüşünün lazer ışınlarını etkileyen tek faktör olmasını sağlar ve diğer çevresel faktörleri hariç tutar.

Yapı, hava basıncındaki değişiklikleri veya istenen 12 santigrat derecelik sıcaklığı telafi eden ve bu değişiklikleri otomatik olarak telafi eden basınçlı bir oda ile korunmaktadır. Bu tür etkileyici faktörleri en aza indirmek için laboratuvar, yapay bir tepenin altında beş metre derinliğe yerleştirildi. Ölçüm sistemini geliştirmek için neredeyse 20 yıllık bir araştırma yapıldı.

Çalışma yayınlanan dergide Doğa Fotoniği.