De unieke ringlaser meet schommelingen in de daglengte

Met deze 16 meter lange vierkante cirkellaser die zich in een ondergronds laboratorium in Beieren bevindt, kunnen afwijkingen in daglengte worden bepaald met een nauwkeurigheid van slechts enkele milliseconden.

© U. Schreiber et al., Tom

De aarde is niets anders dan een stijve, perfecte bol. Vloeibare gesteentemassa’s in de aarde, het oceaanwater, de ijskappen en de atmosfeer zijn voortdurend in beweging. Als gevolg hiervan verandert de snelheid van de rotatie van de aarde en dus de lengte van de dag voortdurend en onvoorspelbaar. Een Duits-Nieuw-Zeelandse werkgroep is er nu in geslaagd om met een speciale ringlaser kleine afwijkingen in daglengte te meten met een nauwkeurigheid van slechts enkele milliseconden. Zoals de onderzoekers in het tijdschrift Nature Photonics rapporteren, zou hun nieuwe meetmethode kunnen leiden tot een veel betere correctie van satellietpositiemetingen dan voorheen.

De twee laserstralen vormen de basis van de zeer gevoelige rotatiesensor, ontwikkeld door Ulrich Schreiber van de Technische Universiteit van München en collega’s. Bij een ringlaser beweegt één straal met de klok mee en een andere straal tegen de klok in. Nu veroorzaakt de rotatie van de aarde een kleine frequentieverandering, vergelijkbaar met de Doppler-frequentieverschuiving van bewegende objecten. Het frequentieverschil tussen de twee laserstralen is een maatstaf voor de rotatiesnelheid van de aarde en kan nauwkeurig worden bepaald met behulp van interferometrie.

De technische inspanning die nodig is voor deze nieuwe, zeer nauwkeurige gyrosensor is opmerkelijk. De nauwkeurigheid van in de handel verkrijgbare sensoren moest met ongeveer zes ordes van grootte worden vergroot. “We hebben dit bereikt door de grootte van de sensor dramatisch te vergroten”, zegt Schreiber. De onderzoekers plaatsten hun lasers op een zeer stabiel apparaat van 16 vierkante meter, met twee laserstralen langs de randen. Om trillingen en andere destructieve milieueffecten te verminderen, plaatsten ze de ringlaser op een enorm betonblok in een ondergronds laboratorium in Wetzell, Beieren, vlakbij de grens met Tsjechië.

Dankzij deze inspanning konden Schreiber en zijn collega’s de rotatie van de aarde nauwkeurig bepalen tot één deel op vijf miljard, wat overeenkomt met een afwijking van enkele milliseconden over een periode van 120 dagen. Bovendien kan dankzij geavanceerde correctiesoftware de rotatie van de aarde elke drie uur worden gemeten met een ringlaser. Dit programma houdt rekening met correcties voor de wederzijdse invloed van de twee laserstralen of de getijdenvervorming van de vaste aarde als gevolg van de zwaartekrachteffecten van de zon en de maan. Daarentegen bieden eerdere methoden, die berusten op het evalueren van locatiegegevens van honderden positioneringssensoren verspreid over de hele wereld, slechts één correctiewaarde per dag.

Op basis van deze resultaten willen Schreiber en zijn collega’s nu de signaal-ruisverhouding in hun metingen verbeteren. “Dit betekent dat we ringlaserwaarnemingen ook beschikbaar kunnen stellen aan de dienst International Earth Rotation and Reference System (IERS) als een nieuwe, onafhankelijke meetmethode”, zegt Schreiber. Metingen van deze ringlasers kunnen vervolgens bijvoorbeeld worden gebruikt om de positionering met behulp van satellieten beter te corrigeren.