Des chercheurs munichois en Allemagne ont réussi à mesurer la rotation de la Terre avec une précision jamais atteinte auparavant. Le laser annulaire de l’Observatoire Géodésique de Wettzell peut désormais être utilisé pour collecter des données d’une qualité inégalée à travers le monde. Ces mesures seront utilisées pour déterminer la position de la Terre dans l’espace, bénéficieront à la recherche sur le climat et rendront les modèles climatiques plus fiables.
Vous voulez faire un rapide détour par le sous-sol pour voir à quelle vitesse la Terre a tourné ces dernières heures ? C’est désormais possible à l’Observatoire Géodésique de Wettzell. Les chercheurs de l’Université Technique de Munich ( TUM ) ont amélioré le laser annulaire de sorte qu’il puisse fournir des données quotidiennes actuelles, ce qui n’était jusqu’à présent pas possible à des niveaux de qualité comparables.
Qu’est-ce que le laser annulaire mesure exactement ?
Dans son voyage à travers l’espace, la Terre tourne sur son axe à des vitesses légèrement variables. De plus, l’axe autour duquel la planète tourne n’est pas complètement statique, il oscille un peu. Cela est dû au fait que notre planète n’est pas complètement solide, mais est composée de différentes parties, certaines solides, d’autres liquides. Ainsi, l’intérieur de la Terre est constamment en mouvement. Ces déplacements de masse accélèrent ou freinent la rotation de la planète, des différences qui peuvent être détectées à l’aide de systèmes de mesure comme le laser annulaire de la TUM.
« Les fluctuations de rotation ne sont pas seulement importantes pour l’astronomie, nous en avons également besoin pour créer des modèles climatiques précis et pour mieux comprendre les phénomènes météorologiques comme El Niño. Et plus les données sont précises, plus les prédictions sont précises », précise le Professeur Ulrich Schreiber, qui a dirigé le projet à l’Observatoire pour la TUM.
Amélioration du système de mesure
Lors de la révision du système laser annulaire, l’équipe a donné la priorité à trouver un bon équilibre entre la taille et la stabilité mécanique, car plus un tel dispositif est grand, plus les mesures qu’il peut effectuer sont sensibles. Cependant, la taille signifie des compromis en termes de stabilité et donc de précision.
Un autre défi était la symétrie des deux faisceaux laser opposés, le cœur du système de Wettzell. Une mesure exacte n’est possible que lorsque les formes d’onde des deux faisceaux laser contre-propagants sont presque identiques. Cependant, la conception de l’appareil signifie qu’une certaine asymétrie est toujours présente.
Au cours des quatre dernières années, les géodésiens ont utilisé un modèle théorique pour les oscillations laser pour capturer avec succès ces effets systématiques dans la mesure où ils peuvent être calculés avec précision sur une longue période et ainsi être éliminés des mesures.
En synthèse
Le dispositif 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 termes de faisceaux laser, cela équivaut à une incertitude commençant seulement à la 20ème décimale de la fréquence de la lumière et stable pendant plusieurs mois.
En somme, les fluctuations observées ont atteint des valeurs allant jusqu’à 6 millisecondes sur des périodes d’environ deux semaines. Les améliorations apportées au laser ont également rendu possible des périodes de mesure significativement plus courtes. Les programmes correctifs nouvellement développés permettent à l’équipe de capturer des données actuelles toutes les trois heures.
Urs Hugentobler, professeur de géodésie par satellite à la TUM, ajoute : « Dans les géosciences, des niveaux de résolution temporelle aussi élevés sont absolument nouveaux pour les lasers annulaires autonomes. Contrairement à d’autres systèmes, le laser fonctionne complètement indépendamment et n’a pas besoin de points 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 aussi 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. L’utilisation d’une variété de méthodes aide à rendre le travail particulièrement méticuleux, surtout lorsque les exigences de précision sont élevées, comme c’est le cas avec le laser annulaire. Une amélioration supplémentaire du système, qui permettra des périodes de mesure encore plus courtes, est prévue pour l’avenir.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le laser annulaire et comment fonctionne-t-il ?
Le laser annulaire est un dispositif de mesure qui utilise deux faisceaux laser opposés pour détecter les fluctuations de la rotation de la Terre. Il est composé d’un chemin de faisceau carré fermé avec quatre miroirs entièrement enfermés dans un corps de céran, appelé le résonateur. Une mixture de gaz hélium/néon à l’intérieur du résonateur permet l’excitation des faisceaux laser, un dans le sens des aiguilles d’une montre et l’autre dans le sens inverse.
Pourquoi est-il important de mesurer la rotation de la Terre ?
La mesure précise de la rotation de la Terre est essentielle pour déterminer sa position dans l’espace, pour la recherche sur le climat et pour rendre les modèles climatiques plus fiables. Les fluctuations de rotation sont également importantes pour comprendre les phénomènes météorologiques comme El Niño.
Quels ont été les défis rencontrés lors de la révision du système laser annulaire ?
Les chercheurs ont dû trouver un bon équilibre entre la taille et la stabilité mécanique du dispositif. De plus, ils ont dû gérer la symétrie des deux faisceaux laser opposés, qui est essentielle pour une mesure précise. Une certaine asymétrie est toujours présente en raison de la conception de l’appareil.
Quelle est la précision de la mesure de la rotation de la Terre avec le nouvel algorithme
Le dispositif peut mesurer la rotation de la Terre avec précision jusqu’à 9 décimales, correspondant à une fraction de milliseconde par jour. En termes de faisceaux laser, cela équivaut à une incertitude commençant seulement à la 20ème décimale de la fréquence de la lumière et stable pendant plusieurs mois.
Quels sont les plans futurs pour le système de mesure ?
Une amélioration supplémentaire du système est prévue pour l’avenir, ce qui permettra des périodes de mesure encore plus courtes. Les données capturées indépendamment de l’observation stellaire peuvent aider à identifier et à compenser les erreurs systématiques dans d’autres méthodes de mesure.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| Le laser annulaire de l’Observatoire Géodésique de Wettzell peut mesurer la rotation de la Terre avec une précision inégalée. |
| Les fluctuations de rotation de la Terre sont importantes pour la recherche climatique et la compréhension des phénomènes météorologiques. |
| Un nouvel algorithme correctif permet de mesurer la rotation de la Terre avec une précision allant jusqu’à 9 décimales. |
| Les améliorations apportées au laser ont permis des périodes de mesure significativement plus courtes. |
| Les données capturées indépendamment de l’observation stellaire peuvent aider à identifier et à compenser les erreurs systématiques dans d’autres méthodes de mesure. |
| Une amélioration supplémentaire du système, qui permettra des périodes de mesure encore plus courtes, est prévue pour l’avenir. |
| Le laser annulaire est composé d’un chemin de faisceau carré fermé avec quatre miroirs entièrement enfermés dans un corps de céran, appelé le résonateur. |
| Une mixture de gaz hélium/néon à l’intérieur du résonateur permet l’excitation des faisceaux laser, un dans le sens des aiguilles d’une montre et l’autre dans le sens inverse. |
| Près de 20 ans de recherche ont été nécessaires pour le développement du système de mesure. |
| Les chercheurs ont dû trouver un bon équilibre entre la taille et la stabilité mécanique du dispositif lors de la révision du système laser annulaire. |
Références
Illustration principale : Le laser annulaire de Wettzell a été continuellement amélioré depuis sa mise en service. Crédit : Astrid Eckert / TUM
Les informations de cet article sont basées sur les recherches menées par l’Université Technique de Munich (TUM) et l’Observatoire Géodésique de Wettzell.
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). https://doi.org/10.1038/s41566-023-01286-x
