Primeras mediciones diarias de los cambios de rotación de la Tierra​

Nuevas mediciones láser desde el Observatorio Geodésico de Wettzell, en Alemania, han permitido medir la rotación de la Tierra con mayor precisión que nunca, con actualización de datos diaria.

Las mediciones se utilizarán para determinar la posición de la Tierra en el espacio, beneficiar la investigación climática y hacer que los modelos climáticos sean más confiables, según los investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM) detrás del avance.

En su viaje por el espacio, la Tierra gira sobre su eje a velocidades ligeramente variables. Además, el eje alrededor del cual gira el planeta no es completamente estático, sino que se tambalea un poco. Esto se debe a que nuestro planeta no es completamente sólido, sino que está formado por varios componentes, algunos sólidos y otros líquidos. Entonces, el interior de la Tierra está en constante movimiento. Estos cambios de masa aceleran o frenan la rotación del planeta, diferencias que pueden detectarse mediante sistemas de medición como el láser anular perfeccionado por TUM.

“Las fluctuaciones en la rotación no sólo son importantes para la astronomía, sino que también las necesitamos urgentemente para crear modelos climáticos precisos y comprender mejor fenómenos meteorológicos como El Niño. Y cuanto más precisos sean los datos, más precisas serán las predicciones”, afirma en un comunicado el profesor Ulrich Schreiber, quien dirigió el proyecto.

Al revisar el sistema láser anular, el equipo dio prioridad a encontrar un buen equilibrio entre tamaño y estabilidad mecánica, ya que cuanto más grande es un dispositivo de este tipo, más sensibles son las mediciones que puede realizar. Sin embargo, el tamaño implica compromisos en términos de estabilidad y, por tanto, de precisión.

Otro desafío fue la simetría de los dos rayos láser opuestos, el corazón del sistema Wettzell. La medición exacta sólo es posible cuando las formas de onda de los dos rayos láser que se propagan en sentido contrario son casi idénticas. Sin embargo, el diseño del dispositivo implica que siempre está presente una cierta asimetría.

Durante los últimos cuatro años, los geodesistas han utilizado un modelo teórico de oscilaciones láser para capturar con éxito estos efectos sistemáticos hasta el punto de que pueden calcularse con precisión durante un largo período de tiempo y, por lo tanto, pueden eliminarse de las mediciones.

El dispositivo puede utilizar este nuevo algoritmo correctivo para medir la rotación de la Tierra con precisión hasta 9 decimales, lo que corresponde a una fracción de milisegundo por día. En lo que respecta a los rayos láser, esto equivale a una incertidumbre que comienza sólo en el vigésimo decimal de la frecuencia de la luz y es estable durante varios meses.

En total, las fluctuaciones observadas hacia arriba y hacia abajo alcanzaron valores de hasta 6 milisegundos durante aproximadamente dos semanas.

Las mejoras en el láser también han permitido tiempos de medición significativamente más cortos. Los programas correctivos recientemente desarrollados permiten al equipo capturar datos actuales cada tres horas.

Urs Hugentobler, profesor de Geodesia por Satélite en la TUM, afirma: “En geociencias, niveles de resolución temporal tan altos son absolutamente novedosos para los láseres anulares independientes. A diferencia de otros sistemas, el láser funciona de forma completamente independiente y no requiere puntos de referencia en el espacio. En los sistemas convencionales, estos puntos de referencia se crean mediante la observación de las estrellas o utilizando datos de satélite, pero somos independientes de ese tipo de cosas y también extremadamente precisos”.

Los datos capturados independientemente de la observación estelar pueden ayudar a identificar y compensar errores sistemáticos en otros métodos de medición. La utilización de distintos métodos contribuye a que el trabajo sea especialmente meticuloso, especialmente cuando los requisitos de precisión son elevados, como es el caso del láser anular. Para el futuro está prevista una mayor mejora del sistema, que permitirá periodos de medición aún más cortos.

Los láseres anulares constan de una trayectoria de haz cuadrada y cerrada con cuatro espejos completamente encerrados en un cuerpo determinado, denominado resonador. Esto evita que la longitud del camino cambie debido a las fluctuaciones de temperatura. Una mezcla de gas helio/neón dentro del resonador permite la excitación del rayo láser, uno en el sentido de las agujas del reloj y otro en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Sin el movimiento de la Tierra, la luz viajaría la misma distancia en ambas direcciones. Pero como el dispositivo se mueve junto con la Tierra, la distancia de uno de los rayos láser es más corta, ya que la rotación de la Tierra acerca los espejos al rayo. En la dirección opuesta, la luz recorre una distancia correspondientemente mayor.

Este efecto crea una diferencia en las frecuencias de las dos ondas de luz cuya superposición genera un compás que se puede medir con mucha precisión. Cuanto mayor es la velocidad a la que gira la Tierra, mayor es la diferencia entre las dos frecuencias ópticas. En el ecuador, la Tierra gira 15 grados hacia el este cada hora. Esto genera una señal de 348,5 Hz en el dispositivo TUM. Las fluctuaciones en la duración del día se manifiestan con valores de 1 a 3 millonésimas de Hz (1 a 3 microhercios).

Cada lado del anillo láser situado en el sótano del Observatorio de Wettzell mide cuatro metros. A continuación, esta construcción se ancla a una sólida columna de hormigón, que descansa sobre el sólido lecho de roca de la corteza terrestre a una profundidad de unos seis metros. Esto garantiza que la rotación de la Tierra sea el único factor que impacta los rayos láser y excluye otros factores ambientales.

La construcción está protegida por una cámara presurizada que compensa los cambios en la presión del aire o la temperatura deseada de 12 grados centígrados y compensa automáticamente estos cambios. Para minimizar estos factores de influencia, el laboratorio está situado a cinco metros de profundidad, bajo una colina artificial. Se han dedicado casi 20 años de investigación al desarrollo del sistema de medición.

El estudio se publica en la revista Nature Photonics.