Новости

Лазерные гироскопы применены для уникальных измерений нестабильности угловой скорости вращения Земли.

Дата публикации: 01/12/2009
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Лазерные гироскопы уже долгое время являются важным инструментом в инерциальной навигации и управлении движением различных высокодинамичных объектов гражданского и специального назначения. Исследования и разработки в области лазерной гироскопии были начаты впервые в России практически одновременно (в 1962 году) в НИИ «Попюс» по инициативе М.Ф.Стельмаха и Б.В.Рыбакова и в РНИИ КП по инициативе В.П.Васильева.
В дальнейшем аналогичные работы были развёрнуты в НИИ-801, в НПО «Ротор» и на других предприятиях. Сравнительно недавно лазерные гироскопы нашли новое уникальное применение - для измерения нестабильности угловой скорости вращения Земли.
До появления лазерных гироскопов не существовало датчиков, способных измерить малые изменения вращательного движения Земли, включая нестабильности угловой скорости её вращения, т.е. всех изменений этой скорости, которые могут быть вызваны сейсмическими причинами - землетрясениями, приливными волнами, движением воздушных масс в атмосфере и т.п.
Лазерные гироскопы оказались как раз теми высокоточными датчиками, которые необходимы для применения в подобных геофизических исследованиях. Что касается движения Земли, то в результате многочисленных исследований было установлено, что угловая скорость вращения нашей планеты непостоянна, т.е. вращение Земли неравномерно.
Изменения скорости ее вращения делятся на 3 типа: вековые, нерегулярные (скачкообразные) и периодические, или сезонные. Скачкообразные изменения скорости вращения могут увеличить или уменьшить продолжительность суток. Причина этих изменений с достоверностью ещё не установлена. В результате сезонных изменений скорости вращения Земли продолжительность суток в течение года может отличаться от их средней (за год) продолжительности. При этом самые короткие сутки приходятся на июль - август, самые длинные - на март.
Наиболее вероятной причиной периодических изменений угловой скорости вращения Земли являются сезонные перераспределения воздушных и водных масс на поверхности Земли. Эти изменения скорости вращения Земли были обнаружены в 40-х годах нашего века экспериментально с помощью кварцевых часов.
Неравномерность вращения Земли векового и нерегулярного характера проявляется в расхождениях наблюдаемых положений Луны и близких к Земле планет (Меркурий, Венера) с вычисленными (эфемеридными) положениями этих тел. Ещё в середине XIX в. в наблюдаемом движении Луны были обнаружены отклонения от вычисленного движения, не объяснимые теорией тяготения.
Уже тогда было высказано предположение, что эти отклонения кажущиеся и могут быть вызваны неравномерным вращением Земли вокруг оси.
Действительно, когда вращение Земли замедляется, нам кажется, что Луна движется по своей орбите быстрее, а когда оно ускоряется, движение Луны кажется замедленным. Это объяснение подтвердилось, когда в XX в. были обнаружены отклонения в движениях Меркурия и Венеры, аналогичные отклонениям в движении Луны, одновременные с ними и пропорциональные средним параметрам движения этих планет. Вследствие неравномерного вращения Земли средние сутки, оказываются величиной непостоянной. Поэтому в астрономии пользуются двумя системами счёта времени: неравномерным временем, которое получается из наблюдений и определяется действительным вращением Земли, и равномерным временем, которое является аргументом при вычислении эфемерид планет и определяется по движению Луны и планет. Равномерное время называется ньютоновским или эфемеридным временем.
Заметим, что измерения неравномерности вращения Земли уже давно вышли из области чисто научных исследований и приобрели существенную практическую ценность в связи со все более разрастающейся сферой использования спутниковых систем в современной навигации и связи, требующих прецизионных измерений времени и координат космических объектов.
Глобальный угловой момент вращения Земли (с учётом влияния Луны, Солнца и планет) является величиной постоянной. Для того, чтобы создать флуктуации угловой скорости вращения Земли, требуется мощность порядка 1014-1015 Вт.
Эту мощность можно сравнить с характерными мощностями глобальных изменений на Земле: так, средняя мощность движения воздушных масс в атмосфере имеет порядок 2 х 1015 Вт, океанических течений - 1014 Вт, выделения тепла из недр - 1013 Вт, землетрясений и извержений вулканов - 1011 Вт. Таким образом, нестабильность вращения Земли может быть связана в основном с движением воздушных масс и в меньшей степени - с океаническими течениями.
Земля совершает один оборот за эталонное время 86400 сек; типичные внутригодовые колебания отклонения от этого значения составляют величину порядка 1-1,5 мс (за период 1873-2005 г.г. отклонения находились в интервале минус 2,1 - плюс 3,9 мс).
Почему именно лазерные гироскопы оказались тем инструментом, который позволил измерить столь малые отклонения от равномерного вращения Земли?
Здесь дело в том, что из всех типов гироскопов только лазерные гироскопы позволяют с относительной легкостью увеличить их геометрические размеры и тем самым обеспечить требуемые точности измерений.
Таким образом, на базе больших и сверхбольших лазерных гироскопов создан уникальный геофизический инструмент для измерения малых и сверхмалых вращательных движений Земли. С использованием большого лазерного гироскопа УО-1 с периметром 77 м получена точность измерения порядка 10-8 от угловой скорости вращения Земли, а на сверхбольшом лазерном гироскопе У6-2 с площадью оптического контура 833,7 м2 с периметром более 110 м предполагается достичь чувствительности гироскопа к вращению 10-9 от скорости вращения Земли, т.е. 1,5-10-8угл. град/час.
Это позволит с высокой точностью измерять не только вековые, годовые и суточные изменения угловой скорости вращения Земли, но и более высокочастотные её сверхмалые нерегулярные нестабильности.

Источник: «ЛазерИнформ», 2009, № 19 (418), с.1-5 / www.cislaser.com.

Статьи по теме:

страницы: 1