Zegary atomowe do pomiaru geoidy Ziemi z ziemi

Geoida Ziemi to kształt, jaki przybrałaby planeta, gdyby jej powierzchnia była zbudowana z wody. Oczywiście nie ma dyskusji na temat kształtu geoidy nad oceanami, gdzie zmienia się ona o około 100 metrów z powodu różnic w gęstości podpowierzchniowej Ziemi.

Ale na lądzie geoida jest znacznie trudniejsza do ustalenia. Fizycy robią to, mierząc wysokość satelitów na orbicie. Następnie analizują dane, aby obliczyć kształt powierzchni, która najdokładniej odwzorowuje globalny poziom morza. Następnie ekstrapolują to na kontynenty.

Ale wyniki mają istotne ograniczenia. Przede wszystkim obliczenia są intensywne, a rozwiązania mogą być wielowartościowe, więc trzeba podjąć subiektywną decyzję o wyborze konkretnej wartości. Co więcej, wyniki mają rozdzielczość przestrzenną ograniczoną do około 400 km.

Na kontynentach, gdzie występują niezliczone różnice w gęstości skorupy ziemskiej i poniżej, nie jest to wystarczająco dobre, aby wykryć wiele ważnych formacji geologicznych, takich jak zbiorniki płynów i tak dalej.

Dzisiaj, Ruxandra Bondarescu z Uniwersytetu w Zurychu w Szwajcarii, kilku kumpli twierdzi, że jest na to lepszy sposób, a przynajmniej wkrótce będzie, oparty na zegarach atomowych.

Zgodnie z ogólną teorią względności zegary w różnych odległościach od masywnego ciała powinny tykać w różnym tempie; im bliżej idzie wolniej. Ale różnica jest niewielka, znacznie mniejsza niż było to możliwe do szczegółowego pomiaru. Do niedawna.

W 2010 roku fizycy wykorzystali ten pomysł do zmierzenia 33 cm zmiany wysokości między dwoma zegarami połączonymi światłowodem. To więcej szczegółów, aby uzyskać dobry obraz kształtu geoidy.

Pomysł, powiedzmy Bondarescu i spółka, polega na umieszczeniu jednego zegara na poziomie morza, gdzie znajduje się dokładnie na wysokości geoidy. Drugi zegar jest przenoszony w głąb lądu, gdzie jest zsynchronizowany z pierwszym za pomocą światłowodu.

Drugi zegar będzie wtedy działał szybciej lub wolniej, w zależności od tego, czy znajduje się powyżej, czy poniżej geoidy. Zmiana częstotliwości zegara pokazuje dokładnie, o ile wyżej drugi zegar jest powyżej lub poniżej geoidy.

Przewaga nad metodami satelitarnymi polega po pierwsze na tym, że jest znacznie dokładniejsza, a po drugie na bezpośrednim pomiarze geoidy w tej lokalizacji, a nie na pomiarze pośrednim, który musi być intensywnie przetworzony przed uzyskaniem odpowiedzi.

Oczywiście są wady. Najważniejsze jest to, że zegary atomowe z wymaganą dokładnością są dostępne tylko w laboratorium. To się zmieni w ciągu najbliższych kilku lat. Różne grupy budują przenośne zegary z niespotykaną dotąd dokładnością.

Na przykład Europejska Agencja Kosmiczna pracuje nad zegarem z dokładnością do jednej części na 10^18, zaprojektowanym do pracy w kosmosie. Celem jest sprawdzenie zasady równoważności (jeśli misja jest finansowana).

Bondarescu i spółka twierdzą, że ten rodzaj wrażliwości ujawni wszelkiego rodzaju szczegóły podpowierzchniowe. W jednym liczbowym przykładzie pokazują, że dzisiejsze najlepsze zegary powinny być w stanie wykryć zaburzenia geoidy spowodowane przez kulę o promieniu 1,5 km z 20% anomalią gęstości zakopaną na głębokości 2 km w skorupie ziemskiej.

Oczywiście pomiar geoidy za pomocą zegarów atomowych nie jest nowym pomysłem. Ludzie dyskutują o możliwości od dwudziestu lat. Celem tego artykułu autorstwa Bondarescu i współpracownika jest podkreślenie faktu, że zegary atomowe wystarczająco dokładne, aby wykonać tę pracę, są obecnie widoczne w wydajności i wkrótce wyjdą na wolność.

Kiedy tak się stanie, będziemy mieli możliwość mapowania geoidy i struktur podpowierzchniowych, które ją określają, z niespotykaną dotąd dokładnością.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1209.2889 : Geofizyczne zastosowanie zegarów atomowych: bezpośrednie mapowanie geoidy kontynentalnej

ukryć