Впервые ученые напрямую измерили колебания земной оси (фото)

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.

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 гироскоппередает Membrana.

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).}

«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.}

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.

 
^{Необычная система смонтирована в подземной лаборатории. На снимках – этапы строительства (фотографии Geodätisches Observatorium Wettzell).}

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 .}

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.

(Детали нынешнего достижения раскрывает статья Physical Review Letters.)