Geofysiker vid Ludwig-Maximilians Universitaet (LMU) i München har mätt jordens spinn och axelorientering med en ny ringlaser, och tillhandahöll den mest exakta bestämningen av dessa parametrar som hittills uppnåtts av ett markbaserat instrument utan behov av stjärnavståndssökning.

Begravd bland betesmarker och odlingsmark nära staden Fürstenfeldbruck väster om München ligger ett vetenskapligt instrument som är "one of a kind". Det är en ringlaser som heter ROMY, som i huvudsak är en rotationssensor. När det stod klart för tre år sedan, den prestigefyllda forskningstidskriften Vetenskap hyllade ROMY som "det mest sofistikerade instrumentet i sitt slag i världen." Förkortningen hänvisar till en av dess användningsområden - detektering av rotationsrörelser inom seismologi. Men förutom att kvantifiera markrotation orsakad av jordbävningar, ROMY kan känna av små förändringar i jordens rotationshastighet såväl som förändringar i dess orienteringsaxel. Dessa fluktuationer orsakas inte bara av seismiska händelser utan av faktorer som havsströmmar och förskjutningar i fördelningen av ismassor, bland andra faktorer.

Nu rapporterar en grupp geofysiker under ledning av professorerna Heiner Igel (LMU) och Ulrich Schreiber (Münchens tekniska universitet) resultaten av de första kontinuerliga högprecisionsmätningarna av jordens rotationsparametrar i tidskriften Fysiska granskningsbrev . Författarna hänvisar till data som ett "proof of concept" - och resultaten visar att ROMY har klarat sitt första riktiga test med glans. "Det är det mest exakta instrumentet för mätning av markrotationer i världen, säger Igel, Professor i seismologi vid LMU. Noggrann kvantifiering av rotationsrörelser är också viktig för att bestämma bidraget från seismiskt brus till data som förvärvats av de två gravitationsvågsdetektorer som för närvarande är i drift (LIGO och LIGO Virgo). Så ROMYs tillämpningar sträcker sig långt bortom observationsseismologi på vår planet.

Med hjälp av ett anslag från Europeiska forskningsrådet (ERC), Igel och Schreiber utvecklade konceptet för ROMY-ringlasern. Konstruktionen av observatoriet, som till stor del finansierades av LMU München, var ett extremt utmanande uppdrag. Till och med betongkonstruktionen som ROMY är inrymd i måste uppföras med millimeterprecision. ROMY består av en uppsättning av fyra ringlasrar som bildar ytorna på en inverterad tetraeder (och varje sida är 12 m lång). Två laserstrålar cirkulerar i motsatta riktningar runt varje sida av instrumentet. Balken som rör sig i rotationsriktningen tar längre tid än sin motsvarighet att slutföra varje varv. Detta gör i sin tur att dess våglängd sträcks ut, medan andra komprimeras. Skillnaden i våglängd beror på den exakta orienteringen av varje ansikte med avseende på riktningen och orienteringen av jordens rotation. Data från tre av de fyra ringarna räcker för att bestämma alla parametrar för planetrotation.

Att ringlasern mer än har uppfyllt sina designkriterier är naturligtvis en lättnad – och en källa till stor tillfredsställelse – för Igel. "Vi kan inte bara mäta orienteringen av jordens rotationsaxel, men också dess snurrhastighet, " förklarar han. Metoden som hittills använts för att mäta dessa parametrar med hög noggrannhet bygger på mycket lång baslinjeinterferometri (VLBI). Detta kräver användning av ett världsomspännande nätverk av radioteleskop, som använder förändringar i den relativa timingen av pulsade emissioner från avlägsna kvasarer för att bestämma sina egna positioner. På grund av involveringen av flera observatorier, VLBI-data kan analyseras först efter flera timmar. ROMY har några betydande fördelar jämfört med detta tillvägagångssätt. Den matar ut data praktiskt taget i realtid, vilket gör att den kan övervaka kortsiktiga förändringar i rotationsparametrar. Således, den nya studien bygger på kontinuerliga observationer under en period på mer än 6 veckor. Under denna tid, ROMY upptäckte förändringar i medelorienteringen av jordens axel på mindre än 1 bågsekund.

I framtiden och med ytterligare förbättringar, ROMYs högprecisionsmätningar kommer att komplettera de data som erhålls av VLBI-strategin, och kommer att fungera som standardvärden för geodesi och seismologi. Mätningarna är också av potentiellt vetenskapligt intresse inom områden som jordbävningsfysik och seismisk tomografi, säger Igel. "I samband med seismologi, vi har redan erhållit mycket värdefulla data om jordbävningar och seismiska vågor orsakade av havsströmmar, " han lägger till.