科学家用地下激光测量地球旋转和地震

最终目标是在世界各地拥有更多类似的设备。

资料来源:LMU

铝舱口是地下隐藏物体的唯一线索。在距离慕尼黑20公里的费尔斯滕菲尔德布鲁克县一个安静的修道院村庄的玉米和小麦地里，埋着一座混凝土倒金字塔建筑、钢管和精密反应堆，它们位于地下大约3层。今年3月，当激光开始穿过被称为“地震旋转运动”(ROMY)的四面体边缘时，世界上最复杂的唤醒激光开始了，它可以反映地球本身是如何旋转的。

"这是一个从未建造过的结构."慕尼黑路德维希马西米兰大学的地震学家海纳·伊格尔说，“这是一个非常特殊的设施。”它的独特之处包括保持激光的稳定性和探测波长的细微变化。

这使得ROMY能够测量地球的旋转速度和旋转轴的微小变化。测量相对速度和步速有助于提高全球定位系统导航的准确性。ROMY甚至可以预测阿尔伯特·爱因斯坦预言的广义相对论:旋转行星对附近空间和时间的推拉效应就像一把勺子放进一罐蜂蜜里。ROMY对伴随地震的轻微旋转也非常敏感，这是一种长期被忽视的运动，包含了关于地球内部结构的线索。通过显示和记录相关的运动值，ROMY可以为微型传感器铺平道路，这些传感器可以帮助石油和天然气探险者，甚至是想听到月球和火星震动的行星科学家。

4枚戒指

根据法国物理学家乔治·萨尼亚克在1913年证实的一种效应，环形激光是最精确的旋转传感器。他把光分成两束光，沿着旋转桌面的圆周以相反的方向传播。当他把两盏灯重新组合在一起时，他看到了互相干扰的“条纹”——深色和浅色的条纹表示两种光波的相位相反。沿旋转方向移动的光比沿相反方向移动的光移动得稍远，从而导致相移。

在接下来的几十年里，科学家们利用萨尼亚克效应来追踪自转。这一原理支持用激光和光纤陀螺仪取代20世纪70年代的智能机械陀螺仪——现在是导航的标准。他们测量到的旋转速度和幅度就像喷气式战斗机的转弯和俯冲一样快。直到20世纪90年代才出现建造更大、更精确的大地测量(测量地球本身)环形激光器的想法，当时近乎完美的镜子刚刚开始出现。

第一批类似的激光器之一是C-II，这是一种1米长臂的环形激光器，建于20世纪90年代中期，位于二战后废弃的燃料库，那里的温度相对稳定。C-II还促进了慕尼黑工业大学激光物理学家乌尔里希·施赖伯的职业发展。

在收到欧盟研究委员会的资助后，伊格尔告诉施雷伯他最大的挑战:设计ROMY。ROMY的手臂有12米长，比以前的环形激光器更精确，能够以十亿分之一的精度感知地球的旋转。它的设计不仅仅是一个方形环，而是四个三角形环。其中三个用于限制任何方向的旋转，第四个环可以增加吞吐量。施工于2016年3月开始，将在6个月内完成。

今年3月，工程师们同时实现了四个环中的第一束光，这表明这个几何四面体非常精确，足以确保所有激光器正常共振。"这似乎不重要，但却是至关重要的。"伊格尔说，“每次当红色激光可见时，人们都会兴奋地尖叫。”该团队正在研究这些激光的干扰，以测量萨格纳克效应。最近，他们将在奥地利维也纳举行的欧洲地球物理联盟会议上报告他们的首次测量结果。

实时测量

最后，ROMY的科学家将监测一天持续时间和地轴位置的变化。它们并不像人们想象的那样固定，而是每天以毫秒或厘米的数量级变化。太阳和月亮都在引力的作用下拉着地球。同时，大陆漂移、洋流变化和冰河时代冰川退化引起的地壳反弹会改变周围的质量，从而改变地球的惯性运动，从而改变其自转。即使是飓风和地震也能轻微推动它们。

目前，这些变化的最佳测量结果来自于一个名为甚长基线干涉测量法(VLBI)的系统，该系统使用放置在地球上一定距离处的无线电抛物面天线来观察类星体，即遥远宇宙中不时闪烁的明亮“灯塔”。通过计算广泛分布的抛物面天线何时会记录亮度变化，大地测量工作者可以计算出地球的旋转速率和轴坐标。然而，这个系统需要几十个天文观测站来放弃宝贵的天文观测时间。为了获得最佳的时间比较，硬盘需要在一夜之间从遥远的地方转移到超级计算机中心。将观测结果转换成公布的测量结果需要几天时间。

ROMY将尝试匹配VLBI的精度，并将超越它的速度。塔斯马尼亚大学的澳大利亚大地测量专家露西娅·普兰克(Lucia Plank)帮助提供VLBI服务，她说，从理论上讲，ROMY可以连续监测地球的自转速率和轴，并实时更新测量结果。" ROMY的优点是你可以立即得到观察结果."普兰克说。不过，她也表示，VLBI技术更稳定，因此不太可能很快被放弃。

实验漂移

因为ROMY是非常新的，它仍然受到实验漂移的困扰。该结构位于菲尔德斯滕菲尔德布鲁克县的软沉积物中。与其他固定在微晶玻璃(一种能抵抗温度变化的陶瓷产品)上的环形激光器不同，ROMY钢管会随着昼夜温差而变化。雨水浸湿地面后也会发生变化。最后，Igel希望通过在ROMY的每个镜头后放置一个小型引擎来消除这些漂移，从而对激光环进行实时微调。但是他欢迎快速移动的“漂移”之一:地震。

在过去，地震学家只测量平移——沿着三个主轴的任何地面位移，但是地震波也推动倾角移动，其中旋转点不改变位置。传统的地震仪不能测量倾斜角度的运动，但理论表明它们非常小，可以忽略不计。例如，提出著名地震等级的地震学家查尔斯·里克特在1958年写道:“这样的旋转可以忽略不计。”

“但它们确实存在。”伊格尔说。ROMY将帮助科学家探索这个新的地震学前沿，并证明它确实存在。在该小组开启第一台三角环形激光器后，它感应到了去年10月意大利诺西亚6.6级地震的旋转。

最后，科学家希望能够接近地震的源头。" ROMY不能动。"法国巴黎iXBlue地震旋转传感器公司的负责人frédéric Gutatari说。IXBlue的解决方案是一个紧凑的传感器，由5公里长的光纤环组成，这些光纤环缠绕成一个直径只有20厘米的线圈。该设备可以通过线圈向相反的方向发射光子，干扰它们，并跟踪相移检测旋转。危地马拉已经在斯特龙伯利火山两侧和佛罗伦萨大教堂放置了该设备的原型。

但是伊格尔和施赖伯希望这么小的事情，他们也希望ROMY能孵化出后代。通过分布在世界各地的多个大型环形激光器，大地测量学可以对每个激光器的测量结果进行协调、校准和验证，从而形成更加丰富和准确的地球自转和运动结果。尽管普兰克高度认可VLBI，她也希望德国的大型环形激光器不会被单独使用。"最终目标是在世界各地拥有更多类似的设备."

(晋南编)

《中国科学日报》(2017-05-03第三版国际版)