Meio ambiente

Precisão do laser em anel: medições diárias sem precedentes mapeando a rotação da Terra

Santiago Ferreira

Os pesquisadores fizeram um avanço na medição da rotação da Terra com uma precisão sem precedentes usando um laser de anel avançado no Observatório Geodésico Wettzell. Esta tecnologia melhorada permite a captura diária de dados de alta qualidade, o que é vital para determinar a posição da Terra no espaço e melhorar a investigação e os modelos climáticos. (Ilustração artística dramatizando o uso de lasers para medir a rotação da Terra.)

Cientistas da Universidade Técnica de Munique (TUM) alcançaram um avanço significativo na medição da rotação da Terra com uma precisão sem precedentes. O anel laser do Observatório Geodésico Wettzell agora pode ser usado para capturar dados com um nível de qualidade insuperável em qualquer lugar do mundo. Estas medições são cruciais para determinar a posição da Terra no espaço, auxiliar a investigação climática e aumentar a fiabilidade dos modelos climáticos.

Tecnologia avançada de laser de anel

Gostaria de dar um passo rápido até o porão e ver quão rápido a Terra tem girado nas últimas horas? Agora você pode no Observatório Geodésico Wettzell. Os pesquisadores do TUM aprimoraram o laser de anel para que ele possa fornecer dados atuais diários, o que até agora não era possível em níveis de qualidade comparáveis.

O que exatamente o laser de anel mede? Na sua viagem através do espaço, a Terra gira em torno do seu eixo a velocidades ligeiramente variáveis. Além disso, o eixo em torno do qual o planeta gira não é completamente estático, oscila um pouco. Isso ocorre porque nosso planeta não é completamente sólido, mas é composto de vários componentes, alguns sólidos, outros líquidos. Portanto, o interior da própria Terra está em constante movimento. Estas mudanças na massa aceleram ou freiam a rotação do planeta, diferenças que podem ser detectadas usando sistemas de medição como o anel laser TUM.

Laser de anel Wettzell

O laser de anel em Wettzell tem sido continuamente melhorado desde o seu comissionamento. Crédito: Astrid Eckert/TUM

“As flutuações na rotação não são importantes apenas para a astronomia, também precisamos delas urgentemente para criar modelos climáticos precisos e para compreender melhor fenómenos meteorológicos como o El Niño. E quanto mais precisos os dados, mais precisas serão as previsões”, afirma o Prof. Ulrich Schreiber, que liderou o projeto no Observatório do TUM.

Refinamentos e desafios técnicos

Ao reformar o sistema de laser em anel, a equipe priorizou encontrar um bom equilíbrio entre tamanho e estabilidade mecânica, pois quanto maior for o dispositivo, mais sensíveis serão as medições que ele pode fazer. No entanto, o tamanho significa compromissos em termos de estabilidade e, portanto, de precisão.

Outro desafio foi a simetria dos dois feixes de laser opostos, o coração do sistema Wettzell. A medição exata só é possível quando as formas de onda dos dois feixes de laser de contrapropagação são quase idênticas. No entanto, o design do dispositivo significa que uma certa assimetria está sempre presente. Nos últimos quatro anos, os geodesistas usaram um modelo teórico para oscilações de laser para capturar com sucesso esses efeitos sistemáticos, na medida em que podem ser calculados com precisão durante um longo período de tempo e, portanto, podem ser eliminados das medições.

Precisão e aplicações aprimoradas

O dispositivo pode usar este novo algoritmo corretivo para medir a rotação da Terra com precisão até 9 casas decimais, correspondendo a uma fração de milissegundo por dia. Em termos de feixes de laser, isso equivale a uma incerteza que começa apenas na 20ª casa decimal da frequência da luz e é estável por vários meses. No geral, as flutuações para cima e para baixo observadas atingiram valores de até 6 milissegundos durante períodos de aproximadamente duas semanas.

As melhorias no laser também tornaram possíveis períodos de medição significativamente mais curtos. Os programas corretivos recentemente desenvolvidos permitem que a equipe capture dados atuais a cada três horas. Urs Hugentobler, professor de geodésia por satélite na TUM, diz: “Em geociências, níveis de resolução de tempo tão altos são absolutamente novos para lasers de anel independentes. Ao contrário de outros sistemas, o laser funciona de forma totalmente independente e não requer pontos de referência no espaço. Com sistemas convencionais, estes pontos de referência são criados através da observação das estrelas ou da utilização de dados de satélite. Mas somos independentes desse tipo de coisa e também extremamente precisos.” Os dados capturados independentemente da observação estelar podem ajudar a identificar e compensar erros sistemáticos em outros métodos de medição. Usar uma variedade de métodos ajuda a tornar o trabalho particularmente meticuloso, especialmente quando precisão os requisitos são elevados, como é o caso do laser de anel. Outras melhorias do sistema, que permitirão períodos de medição ainda mais curtos, estão planejadas para o futuro.

Compreendendo os lasers de anel

Os lasers de anel consistem em um caminho de feixe quadrado fechado com quatro espelhos completamente fechados em um corpo de vitrocerâmica Ceran, conhecido como ressonador. Isso evita que o comprimento do caminho mude devido a flutuações de temperatura. Uma mistura de gás hélio/néon dentro do ressonador permite a excitação do feixe de laser, um no sentido horário e outro no sentido anti-horário.

Sem o movimento da Terra, a luz percorreria a mesma distância em ambas as direções. Mas como o dispositivo se move junto com a Terra, a distância de um dos feixes de laser é menor, pois a rotação da Terra aproxima os espelhos do feixe. Na direção oposta, a luz percorre uma distância correspondentemente maior. Este efeito cria uma diferença nas frequências das duas ondas de luz, cuja superposição gera uma nota de batida que pode ser medida com muita precisão. Quanto maior a velocidade com que a Terra gira, maior será a diferença entre as duas frequências ópticas. No equador, a Terra gira 15 graus para leste a cada hora. Isso gera um sinal de 348,5 Hz no dispositivo TUM. Flutuações na duração do dia manifestam-se com valores de 1 a 3 milionésimos de Hz (1 – 3 microhertz).

Infraestrutura robusta e precisa

Cada um dos lados do anel laser no porão do Observatório em Wettzell mede quatro metros. Esta construção é então ancorada a uma sólida coluna de concreto que repousa sobre a rocha sólida da crosta terrestre a uma profundidade de cerca de seis metros. Isto garante que a rotação da Terra seja o único fator que impacta os feixes de laser e exclui outros fatores ambientais. A construção é protegida por uma câmara pressurizada que compensa as alterações na pressão do ar ou na temperatura desejada de 12 graus centígrados e compensa essas alterações automaticamente. Para minimizar tais fatores de influência, o laboratório está localizado a cinco metros de profundidade sob um morro artificial. Quase 20 anos de trabalho de pesquisa foram dedicados ao desenvolvimento do sistema de medição.

Santiago Ferreira é o diretor do portal Naturlink e um ardente defensor do ambiente e da conservação da natureza. Com formação académica na área das Ciências Ambientais, Santiago tem dedicado a maior parte da sua carreira profissional à pesquisa e educação ambiental. O seu profundo conhecimento e paixão pelo ambiente levaram-no a assumir a liderança do Naturlink, onde tem sido fundamental na direção da equipa de especialistas, na seleção do conteúdo apresentado e na construção de pontes entre a comunidade online e o mundo natural.

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