科學(xué)家利用環(huán)形激光器測量地球旋轉和地震

科學(xué)家利用環(huán)形激光器測量地球旋轉和地震

　　我們腳下的地球似乎堅不可摧，并且大部分時(shí)間都一成不變。但這僅僅是由于我們的感知能力有限產(chǎn)生的幻覺(jué)而已。在我們腳下，大塊大塊的巖石相互擠壓、推搡，構成峽谷和山脈；或是被“五馬分尸”，形成河流和海洋。地表無(wú)時(shí)無(wú)刻不在變化和顫動(dòng)。這款環(huán)形激光器能夠測量地球旋轉率和旋轉軸的細微變化。測量相關(guān)速度和步伐有助于增加GPA導航的精度，甚至還可以預測由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦預測的廣義相對論。

　　鋁制艙門(mén)是地下隱藏物的線(xiàn)索。在距離慕尼黑市20公里遠的德國菲爾斯騰費爾德布魯克縣一處安靜的修道院村落的玉米地和小麥地中間，埋藏著(zhù)一座混凝土倒金字塔建筑以及鋼鐵管道、精密反應器，它們位于約3層樓深的地底深處。今年3月，當激光開(kāi)始穿過(guò)名為“地震旋轉運動(dòng)”(ROMY)的四面體邊緣時(shí)，世界上最復雜的環(huán)形激光器由此啟動(dòng)，它能夠反映地球自身如何旋轉運動(dòng)。

　　“這是此前從未建造過(guò)的一種結構。”慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)地震學(xué)家Heiner Igel說(shuō)，“它是一種很特別的設施。”使它的特征包括保持激光穩定以及檢測其波長(cháng)的細微變化。

　　這樣做使得ROMY能夠測量地球旋轉率和旋轉軸的細微變化。測量相關(guān)速度和步伐有助于增加GPA導航的精度，ROMY甚至還可以預測由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦預測的廣義相對論：旋轉行星對附近時(shí)空的推拽作用，就像一只勺子進(jìn)了一鍋蜂蜜那樣。ROMY還對伴隨地震的輕微旋轉非常敏感，這一長(cháng)期被忽視的運動(dòng)含有關(guān)于地球內部結構的線(xiàn)索。通過(guò)展示記錄相關(guān)運動(dòng)的數值，ROMY可以為幫助石油和天然氣勘探者乃至想要聆聽(tīng)月球和火星震顫的行星科學(xué)家的微型感應器鋪平道路。

　　4個(gè)環(huán)

　　根據法國物理學(xué)家Georges Sagnac在1913年證實(shí)的一種效應，環(huán)形激光器是的旋轉感應器。他把光分成圍繞一個(gè)旋轉桌面的周邊朝著(zhù)相反方向運行的兩束光。當他把兩束光重新結合在一起時(shí)，他看到了相互干擾的“條紋”——暗色和亮色的光帶表明兩束光波的反相位。朝著(zhù)旋轉方向運動(dòng)的光比相反方向運動(dòng)的光移動(dòng)得稍遠，從而導致相移。

　　在接下來(lái)的幾十年，科學(xué)家用Sagnac效應跟蹤旋轉。該原理支持用激光器和纖維光學(xué)陀螺儀替代上世紀70年代的精巧機械陀螺——現在這是導航的標準。他們測量的旋轉像一架?chē)姎鈶饳C的轉彎和下潛一樣又快又大。建立更大、更精確的大地測量學(xué)(測量地球自身)環(huán)形激光器的想法直到上世紀90年代才出現，當時(shí)近乎的反光鏡剛開(kāi)始出現。

　　首批類(lèi)似激光器之一是C-II，這是一種擁有1米長(cháng)方形手臂的環(huán)形激光器，于上世紀90年代中期在新西蘭建造，位于二戰后一個(gè)廢棄的燃料庫中，那里的溫度比較穩定。C-II還推動(dòng)了慕尼黑理工大學(xué)激光物理學(xué)家Ulrich Schreiber的職業(yè)發(fā)展。

　　在獲得歐盟研究委員會(huì )的資助之后，Igel向Schreiber說(shuō)出了他的挑戰：設計ROMY。ROMY臂長(cháng)12米，比此前的環(huán)形激光器更加精確，能夠以十億分之一的精度感應地球的旋轉。它的設計不只是一個(gè)方形環(huán)，而是有4個(gè)三角形的環(huán)。其中3個(gè)被用來(lái)約束朝著(zhù)任何方向進(jìn)行的旋轉，第4個(gè)環(huán)可以增加吞吐率。建造工作在2016年3月開(kāi)始，并在6個(gè)月后竣工。

　　今年3月，工程師在4個(gè)環(huán)中同時(shí)實(shí)現了束光，這表明這個(gè)幾何四面體非常精確，足以保證所有激光正常產(chǎn)生共鳴。“它看似無(wú)足輕重實(shí)則不可或缺。”Igel說(shuō)，“每次當紅色激光可見(jiàn)時(shí)，人們都會(huì )非常激動(dòng)地尖叫出聲。”該團隊正在研究對這些激光進(jìn)行干涉以測量Sagnac效應。他們將于近日在奧地利維也納召開(kāi)的歐洲地球物理科學(xué)聯(lián)合會(huì )的一次會(huì )議上報告測量結果。

　　實(shí)時(shí)測量

　　最終，ROMY科學(xué)家將監測白晝時(shí)長(cháng)和地球軸心位置的變化。它們都不像人們想象的那樣固定不變，而是每天進(jìn)行著(zhù)毫秒或厘米級的變化。太陽(yáng)和月亮都在用引力拖拽著(zhù)地球，同時(shí)大陸漂移、洋流變化以及冰河時(shí)代冰川退化改變周?chē)|(zhì)量造成的地殼反彈，都會(huì )改變地球的慣性運動(dòng)，從而改變它的旋轉。即便是颶風(fēng)和地震也會(huì )對其產(chǎn)生微小的推力。

　　目前，這些變化的最佳測量結果來(lái)自于一個(gè)叫作甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量(VLBI)的系統，該系統利用地球上以一定距離排列的射電拋物面天線(xiàn)觀(guān)察類(lèi)星體——遙遠宇宙中不時(shí)閃爍的明亮“燈塔”。通過(guò)計算廣泛分布的拋物面天線(xiàn)何時(shí)會(huì )記錄到一個(gè)亮度變化，大地測量工作者能夠計算出地球的旋轉速率及軸的坐標。但這一系統需要數十個(gè)天文觀(guān)測臺放棄寶貴的天文觀(guān)測時(shí)間，為了達到最佳時(shí)序比較，硬盤(pán)需要連夜從遙遠的地方運輸到超級計算機中心。將觀(guān)測結果轉化為發(fā)表的測量結果也要花費數日。

　　ROMY將設法匹敵VLBI的精度，同時(shí)將會(huì )超過(guò)它的速度。澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)大地測量專(zhuān)家、幫助提供VLBI服務(wù)的Lucia Plank說(shuō)，在理論上，ROMY能夠連續監測地球的旋轉速率和地軸，實(shí)時(shí)更新測量結果。“ROMY的優(yōu)勢是，你可以立刻獲得觀(guān)測結果。”P(pán)lank說(shuō)。不過(guò)她同時(shí)表示，VLBI技術(shù)則更加穩定，因此不可能很快被棄之不用。

　　實(shí)驗漂移

　　由于ROMY非常新，它仍被實(shí)驗漂移困擾。該結構位于菲爾斯騰費爾德布魯克縣的松軟沉積物中，與其他固定在微晶玻璃(一種可抵抗溫度變化的陶瓷制品)模塊上的環(huán)形激光器不同，ROMY的鋼管會(huì )隨著(zhù)晝夜溫差的變化而變化。它還會(huì )在雨水浸透地面后產(chǎn)生變化。最終，Igel希望通過(guò)在ROMY的每個(gè)鏡片后面放置小發(fā)動(dòng)機消除這些漂移，從而實(shí)時(shí)對激光環(huán)做出微調。但他很歡迎其中一種快動(dòng)“漂移”：地震。

　　過(guò)去，地震學(xué)家僅僅測量了平移——沿著(zhù)三個(gè)主軸的任何地面位移，但地震波還會(huì )推動(dòng)傾角移動(dòng)，其中旋轉點(diǎn)不會(huì )改變位置。傳統地震儀不能測量?jì)A角移動(dòng)，但理論表明，它們非常小，可以忽略不計。比如提出著(zhù)名地震等級的地震學(xué)家Charles Richter在1958年寫(xiě)道：“這樣的旋轉可以忽略。”

　　“但它們畢竟存在。”Igel說(shuō)。ROMY將幫助科學(xué)家探索這一新地震學(xué)前沿，展示它的確存在。在該團隊打開(kāi)三角環(huán)形激光器之后，它感應到了去年10月意大利6.6級諾爾恰地震的旋轉。

　　最終，科學(xué)家希望能夠接近地震源頭。“ROMY不能移動(dòng)。”法國巴黎導航感應器公司iXBlue地震旋轉感應器負責人Frédéric Guattari說(shuō)。iXBlue的解決辦法是一個(gè)由長(cháng)達5公里的纖維光環(huán)構成的緊湊傳感器，那些纖維光環(huán)被纏繞為一個(gè)直徑僅有20厘米的線(xiàn)圈。該裝置可將光子通過(guò)線(xiàn)圈發(fā)射到相反方向，干擾它們，并跟蹤相移探測旋轉。Guattari已經(jīng)把該設備原型放置在斯特龍博利火山兩邊和佛羅倫薩大教堂中。

　　但Igel和Schreiber 希望這樣的小事，他們還希望ROMY能夠孵化出后代。盡管Plank非常認可VLBI，她同樣希望德國大型環(huán)形激光器不會(huì )單兵作戰。“最終目標是在全球有更多類(lèi)似的裝置。”

　　編輯點(diǎn)評

　　通過(guò)布置在全球各地的多個(gè)大型環(huán)形激光器，大地測量可以通過(guò)協(xié)調、校準和驗證各個(gè)激光器的測量結果，形成更加豐富、更加精確的地球旋轉和移動(dòng)的結果。希望未來(lái)我們能夠通過(guò)科學(xué)儀器更精準、直觀(guān)的測量地球旋轉和地震。

(原文標題：掘地三尺 感知星球 科學(xué)家用地下激光測量地球旋轉和地震)

（來(lái)源：中國科學(xué)報）

文章鏈接：中國化工儀器網(wǎng) http://www.chem17.com/news/detail/111479.html