Mediciones diarias sin precedentes trazan la rotación de la Tierra

Científicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) han logrado importantes avances en la medición de la rotación de la Tierra con una precisión sin precedentes. El láser anular del Observatorio Geodésico de Wettzell ahora puede utilizarse para capturar datos con un nivel de calidad sin precedentes en cualquier parte del mundo. Estas mediciones son cruciales para determinar la posición de la Tierra en el espacio, ayudar a la investigación climática y mejorar la confiabilidad de los modelos climáticos.

Tecnología avanzada de láser de anillo

¿Le gustaría bajar rápidamente las escaleras y ver qué tan rápido ha estado girando la Tierra en las últimas horas? Ahora puedes hacerlo en el Observatorio Geodésico de Wettzell. Los investigadores del TUM han mejorado el láser anular para que pueda proporcionar datos actuales diarios, lo que hasta ahora no era posible con niveles de calidad comparables.

¿Qué mide exactamente un láser de anillo? En su viaje por el espacio, la Tierra gira alrededor de su eje a velocidades ligeramente variables. Además, el eje alrededor del cual gira el planeta no es completamente fijo, sino que oscila ligeramente. Esto se debe a que nuestro planeta no es completamente sólido, sino que está formado por diferentes partes, algunas sólidas y otras líquidas. De modo que el interior de la Tierra está en constante movimiento. Estos cambios de masa aceleran o ralentizan la rotación del planeta, diferencias que pueden detectarse utilizando sistemas de medición como el láser de anillo TUM.

El láser anular de Wettzell se ha mejorado continuamente desde sus inicios. Crédito: Astrid Eckert/Tom

«Las fluctuaciones en la circulación no sólo son importantes para la astronomía, sino que también las necesitamos urgentemente para crear modelos climáticos precisos y comprender mejor fenómenos meteorológicos como El Niño. Cuanto más precisos sean los datos, más precisos serán», afirma el profesor Ulrich Schreiber , quien dirigió el proyecto en el Observatorio TUM, la precisión de los pronósticos ha aumentado.

Mejoras técnicas y desafíos.

A la hora de reparar el sistema láser de anillo, el equipo priorizó encontrar un buen equilibrio entre tamaño y estabilidad mecánica, ya que cuanto más grande es este dispositivo, más sensibles se pueden realizar las mediciones. Sin embargo, el tamaño implica compromisos en términos de estabilidad y, por tanto, de precisión.

Otro desafío fue la simetría entre los dos rayos láser opuestos, que es el corazón del sistema de Wetzel. Sólo se pueden realizar mediciones precisas cuando las formas de onda de los dos rayos láser que se propagan en sentido contrario son casi idénticas. Sin embargo, el diseño del dispositivo implica que siempre esté presente una cierta asimetría. Durante los últimos cuatro años, los científicos en geodesia han utilizado un modelo teórico de oscilaciones láser para capturar con éxito estos efectos sistemáticos hasta el punto de que pueden calcularse con precisión durante un largo período de tiempo y, por lo tanto, pueden eliminarse de las mediciones.

Precisión y aplicaciones mejoradas

El dispositivo puede utilizar este nuevo algoritmo correctivo para medir la rotación de la Tierra con una precisión de hasta 9 decimales, equivalente a una fracción de milisegundo por día. En el caso de los láseres, esto equivale a una incertidumbre que comienza justo en el vigésimo decimal de la frecuencia de la luz y se mantiene estable durante varios meses. En general, las fluctuaciones hacia arriba y hacia abajo observadas alcanzaron valores de hasta 6 ms durante un período de aproximadamente 2 semanas.

Las mejoras en los láseres han hecho que los intervalos de medición sean mucho más cortos. El software de parche recientemente desarrollado permite al equipo capturar datos actuales cada tres horas. «En las ciencias de la Tierra, niveles tan altos de resolución temporal son completamente nuevos para los láseres anulares autónomos», afirma Urs Hugentobler, profesor de Geodesia por Satélite en la TUM. «A diferencia de otros sistemas, el láser funciona de forma completamente autónoma y no requiere puntos de referencia en En los sistemas convencionales, «estos puntos de referencia se crean observando estrellas o utilizando datos satelitales. Pero somos independientes de ese tipo de cosas y también muy precisos. Los datos capturados independientemente de las estrellas observadas pueden ayudar a identificar y compensar errores sistemáticos en otros métodos de medición.» El uso de una variedad de métodos ayuda a que el trabajo sea particularmente preciso, especialmente cuando Exactitud Los requisitos son elevados, como ocurre con los láseres de anillo. Están previstas más mejoras en el sistema, lo que permitirá períodos de medición más cortos en el futuro.

Entendiendo los láseres de anillo

Los láseres anulares constan de una trayectoria de haz cuadrada cerrada con cuatro espejos completamente rodeados por un cuerpo vitrocerámico del tipo Ceran, denominado resonador. Esto evita que la longitud del camino cambie debido a fluctuaciones de temperatura. La mezcla de gas helio/neón dentro del resonador permite excitar dos rayos láser, uno en el sentido de las agujas del reloj y el otro en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Sin el movimiento de la Tierra, la luz viajaría la misma distancia en ambas direcciones. Pero como el dispositivo se mueve con la Tierra, la distancia de uno de los rayos láser es más corta, porque la rotación de la Tierra acerca los espejos al rayo. En la dirección opuesta, la luz recorre una distancia similar más larga. Este efecto crea una diferencia en las frecuencias de las dos ondas luminosas, cuya superposición genera un tono rítmico que se puede medir con mucha precisión. Cuanto más rápido gira la Tierra, mayor es la diferencia entre las dos frecuencias ópticas. En el ecuador, la Tierra gira cada hora formando un ángulo de 15 grados hacia el este. Esto crea una señal de 348,5 Hz en el TUM. Las fluctuaciones en la duración del día aparecen del orden de 1 a 3 millonésimas de hercio (1 a 3 microHz).

Infraestructura robusta y precisa

Cada lado del anillo láser situado en el sótano del observatorio de Wettzell mide cuatro metros de largo. A continuación, esta estructura se instala sobre una robusta columna de hormigón que descansa sobre la base sólida de la corteza terrestre a una profundidad de unos seis metros. Esto garantiza que la rotación de la Tierra sea el único factor que afecta a los rayos láser y excluye otros factores ambientales. La construcción está protegida por una cámara presurizada que compensa automáticamente los cambios en la presión del aire o en la temperatura requerida de 12°C. Para reducir estos factores influyentes, el laboratorio está situado a cinco metros de profundidad bajo una colina artificial. Fueron necesarios casi 20 años de trabajo de investigación para desarrollar el sistema de medición.

Referencia: “Cambios en la velocidad de rotación de la Tierra medidos por un interferómetro láser de anillo” por K. Ulrich Schreiber, Jan Coudet, Urs Hugentobler, Thomas Klügel y John Paul R. Gales, 18 de septiembre de 2023. Fotónica de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41566-023-01286-x