Investigadores de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) han logrado medir la rotación de la Tierra con más exactitud que nunca. El láser anular del Observatorio Geodésico de Wettzell permite ahora captar datos con una calidad sin parangón en el mundo. Las mediciones servirán para determinar la posición de la Tierra en el espacio, beneficiarán a la investigación climática y harán más fiables los modelos climáticos.

¿Quieres bajar al sótano y ver a qué velocidad ha girado la Tierra en las últimas horas? Ahora puede hacerlo en el Observatorio Geodésico de Wettzell. Los investigadores de la TUM han mejorado el láser anular para que pueda proporcionar datos actuales diarios, lo que hasta ahora no era posible con niveles de calidad comparables.

¿Qué mide exactamente el láser anular? 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. Por tanto, 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 de la TUM.

Las fluctuaciones en la rotación no sólo son importantes para la astronomía, 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 exactas serán las predicciones, afirma el profesor Ulrich Schreiber, que dirigió el proyecto en el Observatorio de la TUM.

Sensores y algoritmo corrector revisados

Al revisar el sistema láser anular, el equipo dio prioridad a encontrar un buen equilibrio entre tamaño y estabilidad mecánica, ya que cuanto mayor 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 reto era la simetría de los dos rayos láser opuestos, el corazón del sistema Wettzell. La medición exacta sólo es posible cuando las formas de onda de los dos rayos láser contrapropagados son casi idénticas. Sin embargo, el diseño del dispositivo hace que siempre exista una cierta asimetría.

En los últimos cuatro años, los geodestas han utilizado un modelo teórico de las oscilaciones del láser para captar con éxito estos efectos sistemáticos hasta el punto de poder calcularlos con precisión durante un largo periodo de tiempo y eliminarlos así de las mediciones.

Las mediciones del aparato son mucho más precisas

El dispositivo puede utilizar este nuevo algoritmo corrector para medir la rotación de la Tierra con una precisión de hasta 9 decimales, lo que corresponde a una fracción de milisegundo por día. En términos de rayos láser, eso equivale a una incertidumbre a partir del vigésimo decimal de la frecuencia de la luz y estable durante varios meses. En conjunto, las fluctuaciones observadas de subida y bajada alcanzaron valores de hasta 6 milisegundos en periodos de aproximadamente dos semanas.

Gracias a las mejoras introducidas en el láser, ahora también son posibles periodos de medición mucho más cortos. Los programas correctores recién desarrollados permiten al equipo capturar datos actuales cada tres horas.

Urs Hugentobler, catedrático de Geodesia por Satélite en la TUM, afirma: En geociencias, unos niveles de resolución temporal tan altos son absolutamente novedosos para los láseres de anillo autónomos. A diferencia de otros sistemas, el láser funciona de forma completamente independiente y no necesita puntos de referencia en el espacio. Con los sistemas convencionales, estos puntos de referencia se crean observando las estrellas o utilizando datos de satélite. Pero nosotros somos independientes de ese tipo de cosas y además extremadamente precisos.

Los datos obtenidos independientemente de la observación estelar pueden ayudar a identificar y compensar los errores sistemáticos de otros métodos de medición. El uso de diversos métodos contribuye a que el trabajo sea especialmente meticuloso, sobre todo cuando los requisitos de precisión son elevados, como ocurre con el láser anular. En el futuro está previsto seguir mejorando el sistema para reducir aún más los periodos de medición.

Los láseres de anillo miden la interferencia entre dos haces láser

Los láseres de anillo constan de una trayectoria de haz cuadrada y cerrada con cuatro espejos completamente encerrados en un cuerpo de cerámica, denominado resonador. De este modo se evita que la longitud de la trayectoria cambie debido a las fluctuaciones de temperatura. Una mezcla de gas helio/neón en el interior del resonador permite la excitación de los haces láser, uno en el sentido de las agujas del reloj y otro en sentido contrario.

Sin el movimiento de la Tierra, la luz recorrería la misma distancia en ambas direcciones. Pero como el dispositivo se mueve junto con la Tierra, la distancia para uno de los haces láser es menor, ya que la rotación terrestre acerca los espejos al haz. En la dirección opuesta, la luz recorre una distancia proporcionalmente mayor. Este efecto crea una diferencia en las frecuencias de las dos ondas luminosas cuya superposición genera una nota de batido que puede medirse con gran exactitud. 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 de la duración de un día se manifiestan con valores de 1 a 3 millonésimas de Hz (1 – 3 microhercios).

Cada uno de los lados del láser anular del sótano del Observatorio de Wettzell mide cuatro metros. Esta construcción está anclada a una sólida columna de hormigón que descansa sobre el lecho rocoso de la corteza terrestre a unos seis metros de profundidad. Esto garantiza que la rotación de la Tierra sea el único factor que incida en 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 en la temperatura deseada de 12 grados centígrados y compensa estos cambios automáticamente. Para minimizar estos factores de influencia, el laboratorio está situado a una profundidad de cinco metros bajo una colina artificial. En el desarrollo del sistema de medición se han invertido casi 20 años de trabajo de investigación.


Fuentes

Universidad Técnica de Múnich | Schreiber, K.U., Kodet, J., Hugentobler, U. et al. Variations in the Earth’s rotation rate measured with a ring laser interferometer. Nat. Photon. (2023). doi.org/10.1038/s41566-023-01286-x


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