A velocidade de rotação da Terra está mudando? Agora podemos saber com precisão exata!
Pesquisadores conseguiram medir a rotação da Terra com mais precisão do que nunca. As medições ajudarão a determinar a posição da Terra no espaço, e ajudarão a tornar os modelos climáticos mais confiáveis.
Quer saber qual foi a velocidade de rotação da Terra nas últimas horas com alto grau de confiabilidade? O que até recentemente era impossível, agora você pode saber com a ajuda do Observatório Geodésico Wettzell, na Alemanha.
Pesquisadores da Universidade Técnica de Munique (TUM) aprimoraram um anel de laser para que possa fornecer dados diários atuais, o que até agora não era possível com níveis de qualidade comparáveis, segundo um comunicado.
À medida que viaja pelo espaço, a Terra gira em torno de seu eixo em velocidades ligeiramente variáveis. Além disso, o eixo em torno do qual o planeta gira não é completamente estático, mas oscila um pouco. Isso ocorre porque nosso planeta não é totalmente sólido, mas é composto por diversos componentes, alguns sólidos e outros líquidos. Portanto, o interior da Terra está em constante movimento. Estas mudanças de massa aceleram ou desaceleram a rotação do planeta, diferenças que podem ser detectadas por sistemas de medição como o anel de laser da TUM.
"As flutuações na rotação não são importantes apenas para a astronomia, também precisamos urgentemente delas para criar modelos climáticos precisos e compreender melhor fenômenos meteorológicos como o El Niño. E quanto mais precisos os dados, mais precisas serão as previsões", afirma o professor Ulrich Schreiber, que liderou o projeto no Observatório da TUM.
Sensores revisados e algoritmo de correção
De acordo com o comunicado, ao revisar o sistema laser do anel, a equipe priorizou encontrar um bom equilíbrio entre tamanho e estabilidade mecânica, pois quanto maior for um dispositivo desse tipo, mais sensíveis serão as medições que ele pode fazer. Contudo, o tamanho implica 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 precisa só é possível quando as formas de onda dos dois feixes de laser contra propagados são quase idênticas. Porém, o design do dispositivo faz com que haja sempre uma certa assimetria. Nos últimos quatro anos, os geodesistas usaram um modelo teórico de oscilações do laser para capturar com sucesso esses efeitos sistemáticos, a ponto de poderem ser calculados com precisão durante um longo período de tempo e, assim, removidos das medições.
As medições do dispositivo são muito mais precisas
O dispositivo pode usar este novo algoritmo de correção para medir a rotação da Terra com uma precisão de até 9 casas decimais, o que corresponde a uma fração de milissegundo por dia. Em termos de feixes de laser, isso equivale a uma incerteza que começa na vigésima casa decimal da frequência da luz e é estável durante vários meses.
No geral, as flutuações para cima e para baixo observadas atingiram valores de até 6 milissegundos em períodos de aproximadamente duas semanas.
Graças às melhorias introduzidas no laser, agora também são possíveis períodos de medição muito mais curtos. Programas de correção recentemente desenvolvidos permitem que a equipe capture dados atuais a cada três horas.
Os lasers do anel medem a interferência entre dois feixes de laser
Os lasers do anel consistem em uma trajetória de feixe quadrada e fechada, com quatro espelhos completamente fechados em um corpo cerâmico, chamado ressonador. Isto evita que o comprimento da trajetória mude devido a flutuações de temperatura. Uma mistura de gás hélio/néon dentro do ressonador permite a excitação dos feixes de laser, um no sentido horário e outro no sentido anti-horário.
Sem o movimento da Terra, a luz viajaria a mesma distância em ambas as direções. Mas como o aparelho se move com a Terra, a distância de um dos feixes de laser é menor, já que a rotação da Terra aproxima os espelhos do feixe. Na direção oposta, a luz percorre uma distância proporcionalmente maior.
Este efeito cria uma diferença nas frequências das duas ondas de luz cuja superposição gera uma nota de pulso que pode ser medida com grande precisão. Quanto mais rápido a Terra gira, maior é 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 da TUM. As flutuações na duração do dia aparecem com valores de 1 a 3 milionésimos de Hz (1 - 3 microhertz).
Cada lado do anel de laser no porão do Observatório Wettzell mede quatro metros. Esta construção está ancorada numa sólida coluna de concreto sobre uma sólida base rochosa da crosta terrestre, a uma profundidade de cerca de seis metros. Isto garante que a rotação da Terra seja o único fator que afeta os raios 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 °C e compensa essas alterações automaticamente. Para minimizar esses fatores de influência, o laboratório está localizado a cinco metros de profundidade sob um morro artificial. Quase 20 anos de trabalho de pesquisa foram investidos no desenvolvimento desse sistema de medição.
Referência da notícia:
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)