https://www.nature.com/articles/s41566-023-01286-x
https://larepublica.pe/ciencia/2023/12/12/cientificos-descubrieron-cuando-los-dias-duraran-25-horas-tras-medir-la-velocidad-de-rotacion-de-la-tierra-263484
Ciencia.-Primeras mediciones diarias de los cambios de rotación de la Tierra
El láser anular de Wettzell se ha perfeccionado continuamente desde su puesta en servicio.
El láser anular de Wettzell se ha perfeccionado continuamente desde su puesta en servicio. – ASTRID ECKERT/TUM. (EUROPA PRESS)
Nuevas mediciones láser desde el Observatorio Geodésico de Wettzell, en Alemania, han permitido medir la rotación de la Tierra con mayor precisión que nunca, con actualización de datos diaria.
Las mediciones se utilizarán para determinar la posición de la Tierra en el espacio, beneficiar la investigación climática y hacer que los modelos climáticos sean más confiables, según los investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM) detrás del avance.
En su viaje por el espacio, la Tierra gira sobre su eje a velocidades ligeramente variables. Además, el eje alrededor del cual gira el planeta no es completamente estático, sino que se tambalea un poco. Esto se debe a que nuestro planeta no es completamente sólido, sino que está formado por varios componentes, algunos sólidos y otros líquidos. Entonces, el interior de la Tierra está en constante movimiento. Estos cambios de masa aceleran o frenan la rotación del planeta, diferencias que pueden detectarse mediante sistemas de medición como el láser anular perfeccionado por TUM.
"Las fluctuaciones en la rotación no solo son importantes para la astronomía, sino que también las necesitamos urgentemente para crear modelos climáticos precisos y comprender mejor fenómenos meteorológicos como El Niño. Y cuanto más precisos sean los datos, más precisas serán las predicciones", afirma en un comunicado el profesor Ulrich Schreiber, quien dirigió el proyecto.
Al revisar el sistema láser anular, el equipo dio prioridad a encontrar un buen equilibrio entre tamaño y estabilidad mecánica, ya que cuanto más grande es un dispositivo de este tipo, más sensibles son las mediciones que puede realizar. Sin embargo, el tamaño implica compromisos en términos de estabilidad y, por tanto, de precisión.
Otro desafío fue la simetría de los dos rayos láser opuestos, el corazón del sistema Wettzell. La medición exacta solo es posible 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 está presente una cierta asimetría.
Durante los últimos cuatro años, los geodesistas 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.
El dispositivo puede utilizar este nuevo algoritmo correctivo para medir la rotación de la Tierra con precisión hasta 9 decimales, lo que corresponde a una fracción de milisegundo por día. En lo que respecta a los rayos láser, esto equivale a una incertidumbre que comienza solo en el vigésimo decimal de la frecuencia de la luz y es estable durante varios meses.
En total, las fluctuaciones observadas hacia arriba y hacia abajo alcanzaron valores de hasta 6 milisegundos durante aproximadamente dos semanas.
Las mejoras en el láser también han permitido tiempos de medición significativamente más cortos. Los programas correctivos recientemente desarrollados permiten al equipo capturar datos actuales cada tres horas.
Urs Hugentobler, profesor de Geodesia por Satélite en la TUM, afirma: "En geociencias, niveles de resolución temporal tan altos son absolutamente novedosos para los láseres anulares independientes. A diferencia de otros sistemas, el láser funciona de forma completamente independiente y no requiere puntos de referencia en el espacio. En los sistemas convencionales, estos puntos de referencia se crean mediante la observación de las estrellas o utilizando datos de satélite, pero somos independientes de ese tipo de cosas y también extremadamente precisos".
Los datos capturados independientemente de la observación estelar pueden ayudar a identificar y compensar errores sistemáticos en otros métodos de medición. La utilización de distintos métodos contribuye a que el trabajo sea especialmente meticuloso, especialmente cuando los requisitos de precisión son elevados, como es el caso del láser anular. Para el futuro está prevista una mayor mejora del sistema, que permitirá periodos de medición aún más cortos.
Los láseres anulares constan de una trayectoria de haz cuadrada y cerrada con cuatro espejos completamente encerrados en un cuerpo determinado, denominado resonador. Esto evita que la longitud del camino cambie debido a las fluctuaciones de temperatura. Una mezcla de gas helio/neón dentro del resonador permite la excitación del rayo láser, uno en el sentido de las agujas del reloj y otro en el sentido contrario a las agujas del reloj.AQUÍ——-
Sin el movimiento de la Tierra, la luz viajaría la misma distancia en ambas direcciones. Pero como el dispositivo se mueve junto con la Tierra, la distancia de uno de los rayos láser es más corta, ya que la rotación de la Tierra acerca los espejos al rayo. En la dirección opuesta, la luz recorre una distancia correspondientemente mayor.
Este efecto crea una diferencia en las frecuencias de las dos ondas de luz cuya superposición genera un compás que se puede medir con mucha precisión. Cuanto mayor es la velocidad a la que gira la Tierra, mayor es la diferencia entre las dos frecuencias ópticas. En el ecuador, la Tierra gira 15 grados hacia el este cada hora. Esto genera una señal de 348,5 Hz en el dispositivo TUM. Las fluctuaciones en la duración del día se manifiestan con valores de 1 a 3 millonésimas de Hz (1 a 3 microhercios).
Cada lado del anillo láser situado en el sótano del Observatorio de Wettzell mide cuatro metros. A continuación, esta construcción se ancla a una sólida columna de hormigón, que descansa sobre el sólido lecho de roca de la corteza terrestre a una profundidad de unos seis metros. Esto garantiza que la rotación de la Tierra sea el único factor que impacta los rayos láser y excluye otros factores ambientales.
La construcción está protegida por una cámara presurizada que compensa los cambios en la presión del aire o la temperatura deseada de 12 grados centígrados y compensa automáticamente estos cambios. Para minimizar estos factores de influencia, el laboratorio está situado a cinco metros de profundidad, bajo una colina artificial. Se han dedicado casi 20 años de investigación al desarrollo del sistema de medición.
El estudio se publica en la revista Nature Photonics.
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Cómo es el giroscopio láser que cambia la forma de medir las variaciones en la rotación de la Tierra
Permite analizar la duración del día y podría usarse para construir mejores modelos geofísicos, además de optimizar el transporte global. Los detalles del trabajo publicado en Nature Photonics
Por
K. Ulrich Schreiber
19 Dic, 2023 00:00 a.m. EST
La variabilidad en la duración del día, influenciada por la interacción de la atmósfera, la hidrosfera, la criosfera y la Tierra sólida, ahora puede medirse con precisión gracias a innovaciones en la geodesia (Europa Press)
La variabilidad en la duración del día, influenciada por la interacción de la atmósfera, la hidrosfera, la criosfera y la Tierra sólida, ahora puede medirse con precisión gracias a innovaciones en la geodesia (Europa Press)
Un conocimiento exacto de la velocidad de rotación instantánea de la Tierra es indispensable para una navegación y geolocalización precisas. Las fluctuaciones en la duración del día son causadas por el intercambio de impulso entre los fluidos de la Tierra, es decir, la atmósfera, la hidrosfera y la criosfera y la parte sólida.
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Dado que están involucrados una multitud de diferentes fenómenos de transporte masivo independientes y distribuidos globalmente, el efecto resultante sobre la rotación no es predecible y debe medirse continuamente. Ahora el equipo de científicos ha desarrollado una forma novedosa de medición y lo informó en su artículo publicado en la revista Nature Photonics. Allí el equipo explica cómo funciona su nuevo enfoque y qué tan bien funcionó cuando se probó.
Durante muchos años, los científicos han intentado mejorar las medidas de precisión de la rotación de la Tierra para describir más claramente la duración de un día determinado. Para complicar aún más las cosas, la duración de un día determinado depende de muchos factores, como la atracción de la luna, las corrientes oceánicas y la dirección en la que sopla el viento.
Científicos desarrollan nueva técnica para medir la velocidad de rotación de la Tierra, clave para una navegación y geolocalización precisas, utilizando un giroscopio avanzado en el Observatorio Geodésico Wettzell de Alemania (Imagen ilustrativa Infobae)
Científicos desarrollan nueva técnica para medir la velocidad de rotación de la Tierra, clave para una navegación y geolocalización precisas, utilizando un giroscopio avanzado en el Observatorio Geodésico Wettzell de Alemania (Imagen ilustrativa Infobae)
Los esfuerzos anteriores para medir la duración de un día han implicado el uso de radiotelescopios o señales enviadas por muchas instalaciones estacionadas en la Tierra. En tiempos más recientes se han utilizado satélites que orbitan la Tierra, aumentando la precisión. En este nuevo esfuerzo, los investigadores han probado un nuevo enfoque: utilizar un giroscopio.
El diapasón terrestre
Esta nueva herramienta, el giroscopio, que ha sido denominado simplemente “G”, tiene su sede en el Observatorio Geodésico Wettzell de Alemania. Se fabricó utilizando una cavidad láser de 16 metros de largo, lo que lo convierte en un tipo de anillo. En el interior, interactúan dos rayos láser que viajan en direcciones opuestas entre sí, lo que da como resultado la creación de un patrón de interferencia.
El sistema funciona porque el láser que se mueve en la misma dirección que la Tierra está más estirado que el que lo hace en reversa.
Luego, a medida que la Tierra gira, las fluctuaciones en su velocidad se reflejan en los cambios que se expresan en el patrón de interferencia. A partir de eso, los investigadores pudieron calcular cuánta distancia había recorrido un punto determinado de la Tierra durante un cierto período. Repetir el ejercicio durante varios días les dio la capacidad de tener en cuenta las variaciones a lo largo del tiempo, y eso les permitió medir la duración de un día determinado con una precisión de tan solo unos pocos milisegundos durante un lapso de cuatro meses.
La técnica mide la distancia recorrida por puntos terrestres con precisión milimétrica, permitiendo análisis más detallados de la dinámica planetaria (Getty)
La técnica mide la distancia recorrida por puntos terrestres con precisión milimétrica, permitiendo análisis más detallados de la dinámica planetaria (Getty)
En nuestro documento informamos la observación de variaciones mínimas en la velocidad de rotación de la Tierra al nivel de cinco partes por mil millones, es decir, con una resolución de unos pocos milisegundos durante 120 días de mediciones continuas. Empleamos una técnica de medición inercial autónoma basada en un interferómetro láser de anillo óptico fijado rígidamente a la corteza terrestre y operado en la configuración de Sagnac.
Los investigadores concluyeron sugiriendo que su método para medir la duración del día, así como sus variaciones, podría usarse para construir mejores modelos geofísicos, que podrían utilizarse para el transporte global.
Este giroscopio a gran escala integra más de tres horas para cada punto de datos, a diferencia de toda una red global de receptores de sistemas de navegación por satélite e interferometría de línea de base muy larga que solo puede proporcionar una única medición por día-
* K. Ulrich Schreiber, primer autor del estudio; profesional de la Unidad de Investigación de Geodesia por Satélite de la Universidad Técnica de Munich en Alemania