Niet eerder zijn onderzoekers erin geslaagd om de rotatie van de Aarde zo nauwkeurig vast te leggen als onlangs in München is gelukt. De verbluffend precieze metingen worden niet alleen gebruikt om de positie van de Aarde in de ruimte beter te kunnen bepalen, maar zorgen ook voor betrouwbaardere klimaatmodellen.
Onderzoekers van de Technische Universität München (TUM) hebben de ringlaser van de Geodetische Sterrenwacht in Wettzell dusdanig verbeterd dat hij actuele data levert die tot nu toe niet op zo’n hoog niveau beschikbaar waren. Een knappe prestatie, maar wat meet die ringlaser dan precies? Kort gezegd: de afwijkingen van de rotatie van de Aarde. De Aarde draait niet de hele tijd met exact dezelfde snelheid om zijn as. Ook beweegt de as zelf een beetje. Dat komt omdat onze planeet niet volledig uit vast materiaal bestaat, maar uit deels vaste en deels vloeibare delen. Dus het binnenste van de Aarde zelf is constant in beweging. Dat veroorzaakt versnellingen en vertragingen van de rotatie van onze planeet. En die heeft de ringlaser in München nu nauwkeuriger dan ooit tevoren weten vast te leggen.
Dat is enorm nuttig. “Data over fluctuaties in de rotatie zijn niet alleen belangrijk voor de astronomie, ze zijn ook nodig om accurate klimaatmodellen te ontwikkelen en weerfenomenen zoals El Niño beter te begrijpen. En hoe nauwkeuriger de data, des te accurater de voorspellingen”, legt professor Ulrich Schreiber uit, die het project leidde.
Meer over de vernieuwde ringlaser
Om de ringlaser te verbeteren, moesten de onderzoekers een balans zien te vinden tussen de grootte van het systeem en de stabiliteit. Want in principe geldt: hoe groter het apparaat, hoe gevoeliger de metingen, maar van de andere kant: als het systeem te groot wordt, gaat dat ten koste van de stabiliteit en dus de nauwkeurigheid.
Een andere uitdaging was de symmetrie van de twee tegengestelde laserstralen in het hart van het Wettzell-systeem. Een exacte meting is alleen mogelijk als de laserstralen bijna identiek zijn. Maar de manier waarop het apparaat is ontworpen leidt altijd tot enige vorm van asymmetrie. In de afgelopen vier jaar hebben de wetenschappers een theoretisch model gebruikt voor de lasertrillingen om deze effecten heel precies uit te kunnen rekenen gedurende een langere periode, zodat ze kunnen worden geëlimineerd uit de metingen.
Negen cijfers achter de komma
De ringlaser kan dit corrigerende algoritme gebruiken om de rotatie van de Aarde tot negen decimalen nauwkeurig te bepalen, wat overeenkomt met een fractie van een milliseconde per dag. De geobserveerde fluctuaties bereikten waarden van ongeveer 6 milliseconden in een periode van zo’n twee weken.
Maar niet alleen de nauwkeurigheid is een voordeel, de verbeterde laser maakt ook kortere meetperiodes mogelijk. De onderzoekers beschikken nu over nieuwe actuele data met intervallen van drie uur. “Voor losstaande ringlasers zijn dergelijke resolutieniveaus absoluut vernieuwend. In tegenstelling tot andere systemen functioneert de laser compleet onafhankelijk en heeft hij geen referentiepunten in de ruimte nodig. Bij conventionele systemen worden deze referentiepunten gevormd door observaties van sterren of gebruik van satellietdata. Maar wij zijn daar niet afhankelijk van en ook nog eens extreem precies”, vertelt professor Urs Hugentobler van TUM trots.
Correctie voor systeemfouten
Data die onafhankelijk van sterrenobservaties tot stand komen, kunnen helpen om te compenseren voor systeemfouten in andere meetmethodes. Het gebruik van verschillende methodes kan bovendien helpen om het werk zorgvuldiger uit te voeren, vooral als accuraatheid belangrijk is, zoals het geval is met de ringlaser. In de toekomst willen de onderzoekers het systeem nog nauwkeuriger maken, waardoor nog kortere meetperiodes mogelijk worden.
Hoe werkt zo’n ringlaser?
Ringlasers meten de interferentie tussen twee laserstralen. Ze bestaan uit een gesloten, vierkant pad van laserstralen met in iedere hoek een spiegel, compleet omsloten door een ring, die de resonator wordt genoemd. Dit zorgt ervoor dat de lengte van het pad niet verandert door temperatuurfluctuaties. Een helium-neongasmix in de resonator maakt de uitzending van de laserstralen mogelijk, eentje met de klok mee en eentje tegen de klok in.
Als de Aarde niet zou bewegen, zou het licht dezelfde afstand afleggen in beide richtingen. Maar aangezien het apparaat samen met de Aarde beweegt, is de afstand van een van de laserstralen korter, omdat de rotatie van de aarde de spiegels dichterbij de straal brengt. In tegengestelde richting legt het licht een overeenkomstige langere afstand af.
Verschil in frequenties
Dit effect creëert een verschil in de frequenties van de twee lichtgolven, die heel exact gemeten kan worden. Hoe sneller de Aarde draait, hoe groter het verschil tussen de twee optische frequenties. Op de evenaar draait de Aarde ieder uur 15 graden naar het oosten. Dit genereert een signaal van 348,5Hz in het apparaat in München. Fluctuaties in de lengte van een dag uiten zich in waarden van 1 tot 3 miljoenste van een Hertz.
Elke zijde van de ringlaser in de kelder van het observatorium in Wettzell is 4 meter lang. De constructie zit vast aan een betonnen zuil, die 6 meter diep de grond in gaat en daar rust op een solide gesteente in de aardkorst. Dit garandeert dat de rotatie van de Aarde de enige factor is die impact heeft op de laserstralen en dat er geen andere omgevingsfactoren een rol spelen. Aan het huidige meetsysteem is bijna twintig jaar aan onderzoek voorafgegaan.
