Земля в движении: кольцевой лазер раскрывает тайны колебаний земной оси

Двигаясь в космическом пространстве, Земля не просто вращается вокруг своей оси, но и совершает сложные колебательные движения, которые делают ее поведение значительно более динамичным, чем может показаться на первый взгляд. Эти движения, хотя и незаметны для человека в повседневной жизни, имеют огромное значение для точного понимания геодинамики планеты, а также для фундаментальной физики. Недавно группа ученых из Мюнхенского технического университета (TUM) и Боннского университета достигла прорыва в изучении этих колебаний, применив инновационный подход, основанный на использовании высокоточного кольцевого лазера. Эксперимент проводился в геодезической обсерватории TUM, расположенной в Веттцелле, Бавария, и позволил впервые измерить тонкие изменения ориентации земной оси с беспрецедентной точностью.

Результаты 250-дневного наблюдения были опубликованы в журнале Science Advances и вызвали большой интерес в научном сообществе. Руководитель исследования, профессор Ульрих Шрайбер из Инженерного института астрономической и физической геодезии TUM, подчеркивает, что полученные данные открывают новую эру в геодезии и фундаментальной физике. Он отмечает, что точность измерений, достигнутая с помощью кольцевого лазера, в 100 раз превосходит все ранее доступные результаты, полученные с помощью гироскопов или других типов лазеров. Это означает, что ученые теперь могут фиксировать даже самые малые изменения вращательного движения Земли, что ранее было невозможно без сложных и дорогостоящих систем радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ).

Земная ось, как известно, не является жестко зафиксированной в пространстве. Ее ориентация постоянно меняется под воздействием различных астрономических и геофизических факторов. Основным из них является неидеальная форма Земли — она слегка приплюснута у полюсов и выпукла на экваторе. Это приводит к явлению, известному как прецессия: ось медленно описывает конус в пространстве, совершая полный цикл примерно за 26 000 лет. В настоящее время северный полюс Земли направлен почти точно на Полярную звезду, однако через несколько тысячелетий эта ориентация изменится, и ось будет указывать на другие звезды, такие как Вега, прежде чем снова вернуться к Полярной звезде.

Помимо прецессии, на земную ось оказывает влияние нутация — более мелкие, волнообразные колебания, вызванные переменными гравитационными силами со стороны Луны и Солнца. Эти силы не действуют равномерно: их взаимное положение постоянно меняется, что приводит к периодическим изменениям в направлении оси вращения. Наиболее выраженный цикл нутации длится 18,6 лет и связан с прецессией лунной орбиты. Кроме того, существуют и более короткие колебания — суточные, недельные и месячные, которые также вносят свой вклад в общую динамику оси.

Раньше измерение этих эффектов было возможным только с помощью глобальной сети радиотелескопов, работающих по технологии РСДБ. Этот метод требует координации множества станций, расположенных на разных континентах, и анализа сигналов от удаленных космических радиоисточников, таких как квазары. Хотя он обеспечивает высокую точность, у него есть существенные недостатки: измерения проводятся с длительными интервалами, данные обрабатываются с задержкой в несколько дней или недель, а сама инфраструктура чрезвычайно сложна и дорогостояща.

Новый подход, реализованный в Веттцелле, кардинально меняет ситуацию. Здесь используется кольцевой лазер, установленный в подземном помещении, защищенном от внешних вибраций и температурных колебаний. Устройство представляет собой замкнутый оптический резонатор, в котором два лазерных луча распространяются в противоположных направлениях. При вращении Земли возникает разница в частотах этих лучей — эффект, известный как эффект Саньяка. Измеряя эту разницу с экстремальной точностью, ученые могут определить изменения угловой скорости и ориентации оси вращения в реальном времени.

Главным достижением эксперимента стало то, что кольцевой лазер смог непрерывно и напрямую регистрировать как прецессию, так и нутацию, включая короткопериодические колебания, с временным разрешением менее одного часа. Это означает, что изменения в движении Земли можно отслеживать практически мгновенно, без задержек в обработке данных. Кроме того, весь процесс автономен — не требует внешних сигналов или сложной международной координации.

Ученые отмечают, что такая высокая чувствительность открывает путь к новым фундаментальным исследованиям. В перспективе, при дальнейшем совершенствовании стабильности и точности лазерной системы, возможно достижение уровня, при котором можно будет регистрировать искажения пространства-времени, вызванные вращением Земли. Одним из ключевых явлений, которое может быть проверено в таких условиях, является эффект Лензе-Тирринга — предсказанный общей теорией относительности эффект увлечения инерциальных систем отсчета вращающимся массивным телом. До сих пор его существование подтверждалось косвенно, в основном с помощью спутниковых миссий, таких как Gravity Probe B. Прямое измерение этого эффекта на поверхности Земли стало бы важнейшим достижением в физике и послужило бы мощным подтверждением общей теории относительности.

Таким образом, работа исследователей из TUM и Боннского университета не только расширяет наши знания о динамике Земли, но и демонстрирует потенциал новых технологий в решении задач, которые раньше считались недоступными для локальных наземных установок. Кольцевой лазер в Веттцелле уже сейчас является уникальным инструментом, способным вносить вклад в геодезию, климатологию, океанографию и фундаментальную физику. Его данные помогут улучшить модели глобальной навигации, повысить точность спутниковых систем и углубить понимание внутренней структуры Земли, включая процессы в ядре и мантии, которые также могут влиять на вращение планеты.