La rotazione della Terra sta cambiando? Ora possiamo saperlo ora per ora
I ricercatori sono riusciti a misurare la rotazione terrestre in modo più accurato che mai. Le misurazioni aiuteranno a determinare la posizione della Terra nello spazio, avvantaggeranno la ricerca sul clima e renderanno i modelli climatici più affidabili.
Vuoi sapere qual è stata la velocità di rotazione della Terra nelle ultime ore con un alto grado di affidabilità? Ciò che fino a poco tempo fa era impossibile, ora è possibile farlo all'Osservatorio geodetico di Wettzell.
I ricercatori dell'Università Tecnica di Monaco (TUM) hanno migliorato un laser ad anello in modo che possa fornire dati giornalieri attuali, cosa che fino ad ora non era possibile con livelli di qualità paragonabili, si legge in un comunicato.
Mentre viaggia nello spazio, la Terra ruota attorno al proprio asse a velocità leggermente variabili. Inoltre, l’asse attorno al quale ruota il pianeta non è del tutto statico, ma piuttosto traballa un po’. Questo perché il nostro pianeta non è completamente solido, ma è formato da varie componenti, alcune solide ed altre liquide. Pertanto, l'interno della Terra è in costante movimento. Questi cambiamenti di massa accelerano o rallentano la rotazione del pianeta, differenze che possono essere rilevate da sistemi di misurazione come il laser ad anello TUM.
"Le fluttuazioni nella rotazione non sono importanti solo per l'astronomia, ma ne abbiamo urgentemente bisogno per creare modelli climatici accurati e comprendere meglio fenomeni meteorologici come El Niño. E quanto più precisi saranno i dati, tanto più accurate saranno le previsioni", afferma il professore. Ulrich Schreiber, che ha guidato il progetto presso l'Osservatorio TUM.
Sensori revisionati e algoritmo di correzione
Secondo quanto affermato nel comunicato, durante la revisione del sistema laser anulare il team ha dato priorità alla ricerca di un buon equilibrio tra dimensioni e stabilità meccanica, poiché quanto più grande è un dispositivo di questo tipo, tanto più sensibili saranno le misurazioni che potrà effettuare. Tuttavia, le dimensioni implicano dei compromessi in termini di stabilità e, quindi, di precisione.
Un'altra sfida è stata la simmetria dei due raggi laser opposti, il cuore del sistema Wettzell. Una misurazione accurata è possibile solo se le forme d'onda dei due raggi laser contropropaganti sono quasi identiche. Tuttavia, il design del dispositivo fa sì che sia sempre presente una certa asimmetria. Negli ultimi quattro anni, i geodeti hanno utilizzato un modello teorico delle oscillazioni laser per catturare con successo questi effetti sistematici al punto che possono essere calcolati con precisione su un lungo periodo di tempo e quindi rimossi dalle misurazioni.
Le misurazioni del dispositivo sono molto più accurate
Il dispositivo può utilizzare questo nuovo algoritmo di correzione per misurare la rotazione terrestre con una precisione fino a 9 cifre decimali, che corrisponde a una frazione di millisecondo al giorno. Per quanto riguarda i raggi laser ciò equivale a un'incertezza a partire dalla ventesima cifra decimale della frequenza della luce e stabile per diversi mesi.
Nel complesso, le fluttuazioni su e giù osservate hanno raggiunto valori fino a 6 millisecondi per periodi di circa due settimane.
Grazie ai miglioramenti apportati al laser, ora sono possibili anche periodi di misurazione molto più brevi. I programmi di correzione recentemente sviluppati consentono al team di acquisire i dati attuali ogni tre ore.
I laser ad anello misurano l'interferenza tra due raggi laser
I laser ad anello sono costituiti da un percorso del raggio chiuso e quadrato con quattro specchi completamente racchiusi in un corpo ceramico, chiamato risonatore. Ciò impedisce che la lunghezza del percorso cambi a causa delle fluttuazioni di temperatura. Una miscela di gas elio/neon all'interno del risonatore permette l'eccitazione dei raggi laser, uno in senso orario ed uno in senso antiorario.
Senza il movimento della Terra, la luce percorrerebbe la stessa distanza in entrambe le direzioni. Ma poiché il dispositivo si muove con la Terra, la distanza di uno dei raggi laser è più breve, poiché la rotazione della Terra avvicina gli specchi al raggio. Nella direzione opposta, la luce percorre una distanza proporzionalmente maggiore.
Questo effetto crea una differenza nelle frequenze delle due onde luminose la cui sovrapposizione genera una nota pulsata che può essere misurata con grande precisione. Più velocemente ruota la Terra, maggiore è la differenza tra le due frequenze ottiche. All'equatore la Terra ruota di 15 gradi verso est ogni ora. Questo genera un segnale a 348,5 Hz sul dispositivo TUM. Le fluttuazioni della durata del giorno compaiono con valori da 1 a 3 milionesimi di Hz (1 - 3 microhertz).
Ciascun lato dell'anello laser nel seminterrato dell'Osservatorio Wettzell misura quattro metri. Questa costruzione è ancorata ad una solida colonna di cemento che poggia sul solido substrato roccioso della crosta terrestre ad una profondità di circa sei metri. Ciò garantisce che la rotazione terrestre sia l'unico fattore che influenza i raggi laser ed esclude altri fattori ambientali. La struttura è protetta da una camera pressurizzata che compensa le variazioni della pressione dell'aria o della temperatura desiderata di 12 °C e compensa queste variazioni automaticamente. Per ridurre al minimo questi fattori d'influenza, il laboratorio si trova a una profondità di cinque metri sotto una collina artificiale. Quasi 20 anni di lavoro di ricerca sono stati investiti nello sviluppo del sistema di misurazione.
Riferimento alle notizie
Schreiber, K.U., Kodet, J., Hugentobler, U. et al. Variations in the Earth’s rotation rate measured with a ring laser interferometer. Nat. Photon. (2023)