Les chercheurs ont réalisé une percée dans la mesure de la rotation de la Terre avec une précision sans précédent à l’aide d’un laser annulaire avancé à l’observatoire géodésique de Wettzell. Cette technologie améliorée permet la capture quotidienne de données de haute qualité, ce qui est essentiel pour déterminer la position de la Terre dans l’espace et améliorer la recherche et les modèles climatiques. (Illustration d’artiste illustrant l’utilisation de lasers pour mesurer la rotation de la Terre.)
Des scientifiques de l’Université technique de Munich (TUM) ont réalisé des progrès significatifs dans la mesure de la rotation de la Terre avec une précision sans précédent. Le laser annulaire de l’Observatoire géodésique de Wettzell peut désormais être utilisé pour capturer des données avec un niveau de qualité inégalé partout dans le monde. Ces mesures sont cruciales pour déterminer la position de la Terre dans l’espace, faciliter la recherche climatique et améliorer la fiabilité des modèles climatiques.
Technologie avancée de laser annulaire
Voulez-vous descendre rapidement au sous-sol et voir à quelle vitesse la terre a tourné au cours des dernières heures ? C’est désormais possible à l’Observatoire géodésique de Wettzell. Les chercheurs du TUM y ont amélioré le laser annulaire afin qu’il puisse fournir des données actuelles quotidiennes, ce qui n’était jusqu’à présent pas possible avec des niveaux de qualité comparables.
Que mesure exactement le laser annulaire ? Au cours de son voyage dans l’espace, la Terre tourne sur son axe à des vitesses légèrement variables. De plus, l’axe autour duquel tourne la planète n’est pas complètement statique, il vacille un peu. En effet, notre planète n’est pas complètement solide, mais est constituée de divers composants, certains solides, d’autres liquides. Ainsi, l’intérieur de la Terre elle-même est constamment en mouvement. Ces changements de masse accélèrent ou freinent la rotation de la planète, différences qui peuvent être détectées à l’aide de systèmes de mesure comme le laser annulaire TUM.
Le laser annulaire de Wettzell a été continuellement amélioré depuis sa mise en service. Crédit : Astrid Eckert / TUM
« Les fluctuations de rotation ne sont pas seulement importantes pour l’astronomie, nous en avons également un besoin urgent pour créer des modèles climatiques précis et mieux comprendre des phénomènes météorologiques comme El Niño. Et plus les données sont précises, plus les prévisions sont précises », explique le professeur Ulrich Schreiber, qui a dirigé le projet à l’Observatoire du TUM.
Raffinements et défis techniques
Lors de la refonte du système laser annulaire, l’équipe a donné la priorité à la recherche d’un bon équilibre entre taille et stabilité mécanique, car plus un tel appareil est grand, plus les mesures qu’il peut effectuer sont sensibles. Cependant, la taille implique des compromis en termes de stabilité et donc de précision.
Un autre défi résidait dans la symétrie des deux faisceaux laser opposés, cœur du système Wettzell. Une mesure exacte n’est possible que lorsque les formes d’onde des deux faisceaux laser à propagation inverse sont presque identiques. Cependant, la conception de l’appareil implique qu’une certaine asymétrie soit toujours présente. Au cours des quatre dernières années, les géodésistes ont utilisé un modèle théorique d’oscillations laser pour capturer avec succès ces effets systématiques, dans la mesure où ils peuvent être calculés avec précision sur une longue période de temps et ainsi être éliminés des mesures.
Précision et applications améliorées
L’appareil peut utiliser ce nouvel algorithme correctif pour mesurer la rotation de la Terre avec précision jusqu’à 9 décimales, correspondant à une fraction de milliseconde par jour. En ce qui concerne les faisceaux laser, cela équivaut à une incertitude commençant seulement à la 20ème décimale de la fréquence lumineuse et stable pendant plusieurs mois. Au total, les fluctuations ascendantes et descendantes observées ont atteint des valeurs allant jusqu’à 6 millisecondes sur des périodes d’environ deux semaines.
Les améliorations apportées au laser permettent désormais également de réduire considérablement les périodes de mesure. Les programmes correctifs nouvellement développés permettent à l’équipe de capturer les données actuelles toutes les trois heures. Urs Hugentobler, professeur de géodésie satellitaire à la TUM, déclare : « En géosciences, des niveaux de résolution temporelle aussi élevés sont absolument nouveaux pour les lasers annulaires autonomes. Contrairement à d’autres systèmes, le laser fonctionne de manière totalement indépendante et ne nécessite aucun point de référence dans l’espace. Avec les systèmes conventionnels, ces points de référence sont créés en observant les étoiles ou en utilisant des données satellitaires. Mais nous sommes indépendants de ce genre de choses et extrêmement précis. Les données capturées indépendamment de l’observation stellaire peuvent aider à identifier et à compenser les erreurs systématiques dans d’autres méthodes de mesure. Le recours à des méthodes variées contribue à rendre le travail particulièrement minutieux, surtout lorsque précision les exigences sont élevées, comme c’est le cas pour le laser annulaire. D’autres améliorations du système, permettant des périodes de mesure encore plus courtes, sont prévues à l’avenir.
Comprendre les lasers annulaires
Les lasers annulaires se composent d’un trajet de faisceau carré et fermé avec quatre miroirs entièrement enfermés dans un corps en vitrocéramique Ceran, appelé résonateur. Cela empêche la longueur du trajet de changer en raison des fluctuations de température. Un mélange gazeux hélium/néon à l’intérieur du résonateur permet l’excitation du faisceau laser, un dans le sens des aiguilles d’une montre et un dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.
Sans le mouvement de la Terre, la lumière parcourrait la même distance dans les deux directions. Mais comme l’appareil se déplace avec la Terre, la distance pour l’un des faisceaux laser est plus courte, car la rotation de la Terre rapproche les miroirs du faisceau. Dans la direction opposée, la lumière parcourt une distance proportionnellement plus longue. Cet effet crée une différence dans les fréquences des deux ondes lumineuses dont la superposition génère une note de battement mesurable de manière très précise. Plus la vitesse à laquelle la Terre tourne est élevée, plus la différence entre les deux fréquences optiques est grande. À l’équateur, la Terre tourne de 15 degrés vers l’est toutes les heures. Cela génère un signal de 348,5 Hz dans l’appareil TUM. Les fluctuations de la durée d’une journée se manifestent avec des valeurs allant de 1 à 3 millionièmes de Hz (1 à 3 microhertz).
Infrastructure robuste et précise
Chacun des côtés de l’anneau laser situé dans le sous-sol de l’Observatoire de Wettzell mesure quatre mètres. Cette construction est ensuite ancrée à une solide colonne en béton qui repose sur le substrat rocheux solide de la croûte terrestre à une profondeur d’environ six mètres. Cela garantit que la rotation de la Terre est le seul facteur ayant un impact sur les faisceaux laser et exclut d’autres facteurs environnementaux. La construction est protégée par une chambre sous pression qui compense les changements de pression de l’air ou de température souhaitée de 12 degrés centigrades et compense automatiquement ces changements. Afin de minimiser ces facteurs d’influence, le laboratoire est situé à cinq mètres de profondeur sous une colline artificielle. Près de 20 ans de travaux de recherche ont été consacrés au développement du système de mesure.
