地球自轉的微小變化
地球的自轉通常被視為一種恆定的運動。然而，地球並非完美的球體，整個地球的質量也不是均勻分佈的。所以，如果以足夠高的精確度去測量，就會發現地球的自轉實際上有一些微小的波動，一天的長度也存在微小的差異。
對於許多能夠造成這些差異的因素，科學家都已經有了很好的理解。例如，由日月的潮汐力所引起的波動就很容易被觀測，並且可以用理論模型很好地解釋。但是，當以比這些潮汐信號更高的解析度監測地球自轉時，會發現一些其他的不可預測的擾動。
這類擾動是由地球上的流體在全球範圍內的質量輸運現象引起的。地球上的流體會與固體部分交換動量，改變地球的自轉。由於這樣的現象獨立發生在全球各個不同位置，因此很難對它們對地球自轉的綜合影響進行預測，需要不斷對其測量。
在一項新發表於《自然·光子學》的研究中，一組科學家利用一個鐳射陀螺儀，在14天的時間內，以十億分之五的精度對地球自轉速率的微小變化進行了測量。
環形鐳射陀螺儀
地球自轉速率的變化，或者說一天的長度變化，與地球在太空中的方向變化相對應。使用包括甚長基線干涉測量（VLBI）、衛星鐳射測距和全球導航衛星系統（GNSS）在內的空間大地測量學技術，能以低於10⁻⁷度的解析度進行精確的地球方位測量。
這類方法需要利用分佈在全球的數百個GNSS接收器網路來實現，然後還需要使用額外的VLBI測量，來將GNSS的觀測資料與太空中的類星體的位置相結合。也就是說，這種測量地球自轉速率的方法依賴於對外界的參考系的觀測。
為了研發出一個獨立的、無需依賴參考系的測量系統，科學家已經投入了大量的精力，在一些已被提出的方案中，就涉及陀螺儀的使用。不過，到目前為止，用於大地測量的陀螺儀在精確測量地球自轉方面，仍缺乏足夠的穩定性和靈敏度。
測量地球自轉的微小變化的環形鐳射陀螺儀。（圖/A. HEDDERGOTT/TU MUNICH）
現在，在最新的研究中，一個國際科學家團隊利用地下實驗室的一個高精度環形鐳射陀螺儀，在無需參照外部天體的情況下，對地球自轉速率的變化進行了絕對測量。
這個環形鐳射陀螺儀位於德國南部的WettZell大地觀測站。在其內部，兩束鐳射圍繞一個邊長為4米的正方形環傳播，一束順時針旋轉，一束逆時針旋轉。與地球自轉方向一致的光束，其波長會被拉長；與地球自轉方向相反的光束，其波長則會被壓縮。當將這兩束波長略有不同的光束結合在一起時，就會產生與自轉速率成正比的「拍音」信號。
環形鐳射陀螺儀內的鐳射束路徑圖。（圖/Nature）
與每天只能產生一次測量結果的GNSS接收器網路和VLBI測量相比，這種大型的環形陀螺儀可以每三個小時就提供一次自旋速率的測量資料。它可以靈敏地感知與極移和旋轉運動相關的地球物理信號，以十億分之五的解析度測量一天的長度。換句話說，利用這個裝置，研究人員以數量級為幾毫秒的變化，測量了一天的長度變化。
探索更微妙的效應
總的來說，這種新的環形陀螺儀在探測海洋角動量和大氣角動量對地球自轉的影響方面，取得了重大進展。它利用一個獨立的鐳射干涉儀，精確地實現了所有測量。利用這種新的方法，研究人員測量的不再是地球相對於其他參照物的旋轉，而是地球自轉本身。
這樣的測量可以幫助科學家完善地球的空氣循環和洋流模型。在未來，科學家們希望能夠通過改進環形鐳射陀螺儀，來測量更加微妙的、難以捉摸的效應。比如根據愛因斯坦的廣義相對論，一顆自轉的行星會拖拽著時空。或許有一天，這種環形的鐳射陀螺儀，可以幫助我們感知時空的扭曲。
#創作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.nature.com/articles/s41566-023-01286-x
A laser gyroscope measured tiny variations in the lengths of days on Earth
https://www.nature.com/articles/s41566-023-01293-y
#圖片來源：
封面圖&首圖：PIRO4D / Pixabay