چرخش زمین لو رفت! راز “تلو تلو” خوردن محور زمین با فناوری لیزری فاش شد
تا به حال فکر کردهاید که چرا زمین دقیقاً صاف نمیچرخد و کمی “تلو تلو” میخورد؟ دانشمندان دانشگاه فنی مونیخ (Technical University of Munich) و دانشگاه بن (University of Bonn) با استفاده از فناوری لیزری پیشرفته، راز این حرکت پیچیده را برملا کردهاند. این کشف، که در مجله معتبر “Science Advances” منتشر شده، از یک سیستم لیزر حلقوی بسیار دقیق در رصدخانه ژئودتیک وتزل (Geodetic Observatory in Wettzell) در باواریا بهره میبرد و دقت و تفکیک زمانی بیسابقهای را ارائه میدهد که میتواند نحوه مدلسازی حرکت سیارات و حتی آزمایش نظریه نسبیت اینشتین را متحول کند.
مشکلی یک قرنهای با دقتی مدرن حل شد
زمین دقیقاً حول محور خود نمیچرخد. در عوض، مجموعهای از لرزشهای ملایم را تجربه میکند – انحرافات چرخشی ظریف اما پیچیده ناشی از تعاملات گرانشی و شکل نامتقارن خود سیاره. به طور سنتی، اندازهگیری این نوسانات نیازمند تداخلسنجی خط مبنای بسیار طولانی (VLBI) بود، روشی که شامل آرایههای بزرگی از تلسکوپهای رادیویی در سراسر قارهها میشد و پردازش دادهها روزها یا حتی هفتهها به طول میانجامید.
اکنون، تیم دانشگاه فنی مونیخ یک راه حل جمع و جور و زمینی ارائه کرده است: یک ژیروسکوپ لیزری حلقوی پیشرفته که در زیر زمین در باواریا قرار دارد. این سیستم در طول بیش از ۲۵۰ روز متوالی، تغییرات محوری زمین را به طور مداوم با تفکیکی کمتر از یک ساعت ردیابی کرد. این جزئیات زمانی بسیار فراتر از هر چیزی است که قبلاً با VLBI به دست آمده بود، جایی که دادهها معمولاً با تفکیک روزانه میرسند.
پروفسور ک. اولریش شریبر (Prof. K. Ulrich Schreiber)، نویسنده اصلی این مطالعه از موسسه مهندسی ژئودزی نجومی و فیزیکی دانشگاه فنی مونیخ (TUM Institute of Engineering for Astronomical and Physical Geodesy)، میگوید: “ما پیشرفت بزرگی در اندازهگیری زمین داشتهایم. کاری که لیزر حلقوی ما میتواند انجام دهد در نوع خود در جهان بینظیر است. ما ۱۰۰ برابر دقیقتر از ژیروسکوپها یا سایر لیزرهای حلقوی موجود هستیم. اندازهگیری دقیق نوسانات به ما کمک میکند تا سیستم زمین را با دقت بالاتری درک و مدلسازی کنیم.”
[تصویری از رصدخانه ژئودتیک وتزل و سیستم لیزر حلقوی]
(تصویر اصلی باید در این قسمت قرار گیرد و کپشن زیر آن ذکر شود:)
اعتبار: Astrid Eckert / TUM
زمین لرزان: رقصی از تقدیم و سرگردانی
از دور، زمین به عنوان یک کره چرخان پایدار به نظر میرسد. اما در مقیاسهای کیهانی، یک باله پیچیده اجرا میکند. محور آن ثابت نمیماند؛ در عوض، مسیرهای پیچیدهای را در آسمان ترسیم میکند – حرکتی که توسط چندین نیروی متقابل هدایت میشود. بزرگترین این نیروها تقدیم است که ناشی از برآمدگی استوایی زمین است و سیاره را به جای یک کره کامل، شبیه یک کره کمی له شده میکند. در نتیجه، محور یک حرکت مخروطی را در آسمان در یک دوره تقریباً ۲۶،۰۰۰ سال ترسیم میکند.
سپس سرگردانی (نوسان) وجود دارد، یک نوسان ظریفتر که بر مسیر تقدیم سوار میشود. این نوسان ناشی از کششهای گرانشی ماه و خورشید است که گاهی اوقات برای تقویت یکدیگر همتراز میشوند و گاهی اوقات با هم مخالفت میکنند. این تعاملات نوساناتی را با دورههای زمانی از ۱۸.۶ سال تا تغییرات روزانه و حتی ساعتی معرفی میکنند. اثر خالص یک الگوی غیر یکنواخت و لایهای از حرکت محوری است که اکنون میتوان آن را با جزئیات شگفتانگیزی اندازهگیری کرد.
لیزر حلقوی چگونه کار میکند—و چرا مهم است
برخلاف سیستمهای وابسته به سیگنال خارجی، لیزر حلقوی یک حسگر اینرسی کامل است. این دستگاه با ارسال پرتوهای نور در جهتهای مخالف در اطراف یک حلقه بسته کار میکند. هنگامی که دستگاه میچرخد – حتی با درجات بینهایت کوچک – تداخل بین این پرتوها تغییر میکند و حرکت چرخشی را آشکار میکند. لیزر حلقوی وتزل به گونهای طراحی شده است که از نظر ساختاری و نوری چنان دقیق است که میتواند نوسانات را با حساسیتی فراتر از هر ژیروسکوپ زمینی موجود تشخیص دهد.
آنچه این را حتی بیشتر پیشگامانه میکند این است که اکنون میتواند تمام اجزای اصلی تغییرات محوری زمین – تقدیم، سرگردانی، و ریزنوسانات – را به طور مستقل تشخیص دهد. این نه تنها وابستگی به شبکههای جهانی تلسکوپ رادیویی را کاهش میدهد، بلکه دسترسی به اندازهگیریهای ژئوفیزیکی با دقت بالا را دموکراتیک میکند و درها را به روی نظارت مکرر و کمهزینهتر بر حرکت زمین باز میکند.
علاوه بر این، با بهبودهای آتی در حساسیت – به میزان ۱۰ برابر، به گفته محققان – این سیستم حتی ممکن است قادر به تشخیص مستقیم اثرات کشش چارچوب نسبیتی مانند اثر لنز-ثیرینگ (Lense-Thirring effect) باشد، جایی که چرخش زمین بافت فضا-زمان را در اطراف خود تحریف میکند. این امر یک نقطه عطف تاریخی در آزمایشهای زمینی نظریه نسبیت عام اینشتین خواهد بود.
پیامدهای آن برای ژئودزی، ناوبری و فیزیک بنیادی
قابلیتهای این سیستم لیزری فراتر از علاقه آکادمیک است. برای ژئودزیستها، این اندازهگیریها یک مرجع بسیار بهبود یافته برای درک تکتونیک صفحهای، تغییرات سطح دریا و پویایی هسته و گوشته زمین ارائه میدهند. برای سیستمهای ناوبری، داشتن ردیابی فوقالعاده دقیق و بیدرنگ از جهتگیری زمین میتواند هدایت موشکهای دوربرد، کالیبراسیون ماهوارهها و برنامهریزی ماموریتهای بین سیارهای را افزایش دهد.
شاید از همه جالبتر، این کار به امکان پیوند دادن فناوریهای سنجش در مقیاس کوانتومی با مدلهای سیارهای در مقیاس بزرگ اشاره دارد. همانطور که علوم زمین وارد عصری از فوریت آب و هوایی و اکتشافات بین سیارهای میشود، سیستمهایی که مدلسازی پیشبینی بهتری را بر اساس دادههای اینرسی دقیق ارائه میدهند، ضروری خواهند شد.
رمان بازار