Geofysici van de Ludwig-Maximilians Universitaet (LMU) in München hebben de spin- en asoriëntatie van de aarde gemeten met een nieuwe ringlaser, en leverde de meest nauwkeurige bepaling van deze parameters tot nu toe bereikt door een instrument op de grond zonder de noodzaak van stellaire afstandsbepaling.

Begraven tussen de weilanden en akkers in de buurt van de stad Fürstenfeldbruck ten westen van München is een wetenschappelijk instrument dat 'uniek in zijn soort' is. Het is een ringlaser genaamd Romy, wat in wezen een rotatiesensor is. Bij de voltooiing drie jaar geleden, het prestigieuze onderzoekstijdschrift Wetenschap prees ROMY als "het meest geavanceerde instrument in zijn soort ter wereld." Het acroniem verwijst naar een van de toepassingen ervan:het detecteren van rotatiebewegingen in de seismologie. Maar naast het kwantificeren van grondrotatie veroorzaakt door aardbevingen, ROMY kan minieme veranderingen in de rotatiesnelheid van de aarde waarnemen, evenals veranderingen in de oriëntatie-as. Deze fluctuaties worden niet alleen veroorzaakt door seismische gebeurtenissen, maar ook door factoren zoals oceaanstromingen en verschuivingen in de verdeling van ijsmassa's, onder andere factoren.

Nu rapporteert een groep geofysici onder leiding van professoren Heiner Igel (LMU) en Ulrich Schreiber (Technische Universiteit van München) de resultaten van de eerste continue, zeer nauwkeurige metingen van de rotatieparameters van de aarde in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . De auteurs noemen de gegevens een 'proof of concept' - en de resultaten tonen aan dat ROMY zijn eerste echte test met vlag en wimpel heeft doorstaan. "Het is het meest nauwkeurige instrument voor het meten van grondrotaties in de wereld, " zegt Igel, Hoogleraar Seismologie aan de LMU. Nauwkeurige kwantificering van rotatiebewegingen is ook belangrijk voor het bepalen van de bijdrage van seismische ruis aan de gegevens die zijn verkregen door de twee zwaartekrachtgolfdetectoren die momenteel in bedrijf zijn (LIGO en LIGO Virgo). De toepassingen van ROMY gaan dus veel verder dan observationele seismologie op onze planeet.

Met behulp van een subsidie ​​van de European Research Council (ERC), Igel en Schreiber ontwikkelden het concept voor de ROMY ringlaser. De bouw van het observatorium, die grotendeels werd gefinancierd door LMU München, was een uiterst uitdagende onderneming. Zelfs de betonnen constructie waarin ROMY is ondergebracht, moest tot op de millimeter nauwkeurig worden opgebouwd. ROMY bestaat uit een set van vier ringlasers die de vlakken vormen van een omgekeerde tetraëder (en elke zijde is 12 m lang). Twee laserstralen circuleren in tegengestelde richtingen rond elk vlak van het instrument. De straal die in de draairichting beweegt, duurt langer dan zijn tegenhanger om elke ronde te voltooien. Dit zorgt er op zijn beurt voor dat de golflengte wordt uitgerekt, terwijl andere is gecomprimeerd. Het verschil in golflengte hangt af van de precieze oriëntatie van elk vlak ten opzichte van de richting en oriëntatie van de rotatie van de aarde. Gegevens van drie van de vier ringen zijn voldoende om alle parameters van planetaire rotatie te bepalen.

Dat de ringlaser ruimschoots aan zijn ontwerpcriteria heeft voldaan, is natuurlijk een verademing - en een bron van grote voldoening - voor Igel. "We kunnen niet alleen de oriëntatie van de rotatie-as van de aarde meten, maar ook de draaisnelheid, " legt hij uit. De methode die tot nu toe is gebruikt om deze parameters met hoge nauwkeurigheid te meten, is gebaseerd op zeer lange basislijninterferometrie (VLBI). Dit vereist het gebruik van een wereldwijd netwerk van radiotelescopen, die veranderingen in de relatieve timing van gepulseerde emissies van verre quasars gebruiken om hun eigen posities te bepalen. Door de betrokkenheid van meerdere observatoria, de VLBI-gegevens kunnen pas na enkele uren worden geanalyseerd. ROMY heeft een aantal aanzienlijke voordelen ten opzichte van deze aanpak. Het voert gegevens vrijwel in realtime uit, waarmee het kortetermijnveranderingen in rotatieparameters kan volgen. Dus, de nieuwe studie is gebaseerd op continue observaties over een periode van meer dan 6 weken. Gedurende deze periode, ROMY ontdekte veranderingen in de gemiddelde oriëntatie van de aardas van minder dan 1 boogseconde.

In de toekomst en met verdere verbeteringen, ROMY's uiterst nauwkeurige metingen zullen de gegevens aanvullen die zijn verkregen door de VLBI-strategie, en zullen dienen als standaardwaarden voor geodesie en seismologie. De metingen zijn ook van potentieel wetenschappelijk belang op gebieden zoals de fysica van aardbevingen en seismische tomografie, zegt Igel. "In de context van seismologie, we hebben al zeer waardevolle gegevens verkregen over aardbevingen en seismische golven veroorzaakt door oceaanstromingen, " hij voegt toe.