El eje de rotación de la Tierra no es fijo. Sufre variaciones más o menos importantes, muy complicadas de medir. Si bien el astrónomo puede estar familiarizado con el concepto de precesión, existen otras variaciones, como el bamboleo anual y el bamboleo de Chandler. Hasta ahora sólo habían podido medirse mediante complejas redes intercontinentales de radiotelescopios pero, por fin, ha sido posible la observación de estos bamboleos dentro de un laboratorio.
Traducido y adaptado de Physorg (22 de diciembre de 2011) y otras fuentes.
Un grupo con investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM), Alemania, han sido los primeros en trazar los cambios del eje de rotación midiéndolo en un laboratorio. Para llevarlo a cabo construyeron el anillo láser más estable del mundo. Hasta ahora, los científicos sólo podían medir las variaciones del eje de la Tierra rastreando objetos fijos en el espacio. Capturar estas variaciones es crucial para los sistemas de navegación.
La Tierra se tambalea
Como una peonza cuando la tocan en mitad del giro, el eje de rotación fluctúa en el espacio. Esto se debe, en parte, a la gravedad de la Luna y del Sol. Al mismo tiempo, el eje de la Tierra cambia constantemente en relación con la superficie de la Tierra. Por un lado está debido a las variaciones en la presión atmosférica, y a la carga de los océanos y del viento. Estos elementos se combinan para producir un movimiento del polo que se conoce como efecto de bamboleo de Chandler, por el científico que lo descubrió, y que tiene un periodo de unos 435 días. Por otro lado, un fenómeno conocido como bamboleo anuo provoca que el eje de rotación se mueva en un periodo de un año, debido a la forma elíptica de la órbita de la Tierra en torno al Sol. Estos dos efectos provocan una migración irregular del eje de la Tierra, con un radio de hasta seis metros.
La observación del bamboleo de la Tierra
La captura de estos movimientos resulta crucial para la creación de un sistema de coordenadas efectivo que se pueda emplear para los sistemas de navegación o para proyectar trayectorias en viajes espaciales. “La localización de un punto con precisión centimétrica es un proceso extremadamente dinámico para el posicionamiento global, después de todo, en nuestra latitud, nos estamos moviendo hacia el este a unos 350 metros por segundo,” explica el profesor Karl Ulrich Schreiber, que dirigió el proyecto en la Sección de Investigación de Geodesia por Satélite de la Universidad Técnica de Munich. La orientación relativa del eje de la Tierra con respecto al espacio y su velocidad de rotación se miden actualmente en un complicado proceso que involucra a 30 radiotelescopios en todo el globo (Interferometría de Base Muy Ancha, VLBI). Cada lunes y cada jueves, de ocho a doce radiotelescopios miden, alternativamente, la dirección entre la Tierra y unos cuásares específicos. Los científicos presumen que estos núcleos galácticos no cambian su posición y que, por lo tanto, se pueden emplear como referencia. El Observatorio Geodésico de Wettzell también se integra en este sistema. Este observatorio es operado por la TUM y por la Agencia Federal Alemana de Cartografía (BKG).
A mediados de los 90, científicos de la TUM y del BKG unieron sus fuerzas con investigadores de la Universidad de Canterbury en Nueva Zelanda, para desarrollar un método más simple que fuera capaz de seguir continuamente el bamboleo de Chandler. “También queríamos desarrollar una alternativa que nos permitiera eliminar los errores sistemáticos”, continúa Schreiber. “Después de todo, había siempre una posibilidad de que los puntos de referencia del espacio no fueran totalmente estacionarios.” Los científicos tenían la idea de construir un anillo láser similar a los que emplean en los sistemas de guiado de los aviones, aunque millones de veces más preciso. “En ese momento casi nos daba la risa,” reconoce Schreiber.
El giróscopo de anillo láser
El giróscopo de anillo láser utiliza la luz para medir la rotación angular. Cada giróscopo tiene una forma triangular y en él se encuentra un láser de helio-neón que produce dos haces de láser, cada uno viajando en sentidos opuestos, uno a favor de la rotación, y el otro en contra. La producción de los haces de luz ocurre en la región de descarga del gas, mediante la ionización de de una mezcla de gas de helio y de neón a baja presión con alto voltaje, que produce una descarga brillante. Esa luz de láser es reflejada alrededor del triángulo por espejos situados en las esquinas para producir haces de luz que vayan a favor y en contra de la rotación.
Ajustes en el anillo láser de Wetzell.
Fuente: © Geodätische Observatorium Wettzell
La longitud del camino es revisada y ajustada cuidadosamente de manera que sea un múltiplo de la longitud de onda del láser. Cuando el giróscopo láser está en reposo, las frecuencias de los dos haces que viajan en sentidos opuestos coinciden. Cuando el giróscopo rota en torno a un eje perpendicular al plano de la luz láser, se crea una diferencia de frecuencias entre los dos haces, porque la velocidad de la luz es constante. Un haz de láser tendrá que recorrer una distancia mayor que el otro. Una pequeña cantidad de la luz de los haces de láser pasa a través de uno de los espejos (menos del 0,2%). Los haces se combinan por frecuencias ópticas para producir un patrón de interferencia. Este fenómeno se conoce como efecto Sagnac , por lo que este sistema recibe el nombre de interferómentro de Sagnac (Malacara 2004, pp. 234 ss.).
El anillo láser de Wetzell
Los trabajos para la construcción del anillo láser más estable del mundo comenzaron a finales de los 90 en el observatorio Wetzell. El sistema consiste en una instalación rotatoria que incorpora dos haces de láser que se lanzan en sentidos opuestos y que viajan alrededor de un camino cuadrado con espejos en las esquinas, con lo que el haz forman un camino cerrado (de ahí el nombre de anillo láser). Cuando el sistema rota, la luz que va favor de la rotación tiene que recorrer más camino que la que va en contra de la rotación. Dado que la velocidad de la luz es constante, los haces ajustan sus longitudes de onda, provocando que la frecuencia óptica cambie. Los científicos pueden usar esta diferencia para calcular la velocidad de rotación que el instrumento experimenta. En Wetzell es la Tierra la que gira, no el anillo láser. Para asegurarse de que la única influencia de los haces de láser es la rotación terrestre, la instalación, que mide cuatro metros por cuatro metros, se ancla a un pilar de cemento, que se prolonga seis metros en el interior de la roca sólida, en la corteza terrestre.
La rotación terrestre afecta a la luz de modos diversos, dependiendo de la localización del láser. “Si estuviéramos en uno de los polos, los ejes de la Tierra y del láser giratorio se encontrarían en completa sincronía y su relación de velocidades daría un resultado de 1:1,” detalla Schreiber (por ese motivo los datos no servirían para apreciar los cambios del eje). “En el ecuador, sin embargo, el haz de luz no percibiría nunca que la Tierra está girando,” (aquí el eje del anillo láser es perpendicular al eje de rotación terrestre. En esto el sistema tiene similitudes con la interferometría de muy larga base de VLBI). Por lo tanto, los científicos deben tener en cuenta que el láser de Wetzell se encuentra a una latitud de 49 grados. Cualquier cambio en el eje de rotación de la Tierra se refleja en el indicador de velocidad rotacional. Así, el comportamiento de la luz revela el cambio en el eje de la Tierra.
La construcción e instalación del anillo láser
Montaje similar al del artículo. La imagen del láser
“El principio es simple”, añade Schreiber. “El mayor reto fue asegurarse de que el láser permanecía lo bastante estable como para poder medir la débil señal geofísica sin interferencias de ningún tipo, especialmente a lo largo de un período de varios meses.” En otras palabras, los científicos tenían que eliminar cualquier cambio en la frecuencia que no procediera de la rotación de la Tierra. Entre ellos se encuentran los factores ambientales debidos a los cambios de presión atmosférica y temperatura. Para conseguirlo, confían principalmente en una placa base de cristal cerámico y en una cámara presurizada. Los investigadores montaron el anillo láser sobre una placa base de nueve toneladas de Zerodur, material que también se empleó para los soportes de los haces de láser (y que se utiliza para construir los espejos de algunos de los mayores telescopios del mundo). Escogieron el Zerodur por su extremada resistencia a los cambios de temperatura. La instalación se alberga en una cabina presurizada que registra los cambios en la presión atmosférica y la temperatura (12 grados) y los compensa automáticamente. Los científicos enclavaron el laboratorio a a cinco metros de profundidad para mantener al mínimo cualquier tipo de de influencias ambientales. Está aislado por arriba con capas de Styrodur y arcilla, y cubierto por un túmulo de tierra de cuatro metros de alto. Los científicos tienen que atravesar un túnel de veinte metros con cinco puertas de almacenaje de frío y un cierre, antes de llegar al láser.
Bajo estas condiciones, los investigadores han alcanzado el éxito, al corroborar las medidas del bamboleo de Chandler y del bamboleo anual con los datos tomados por los radiotelescopios. Ahora quieren que el aparato alcance una mayor precisión, permitiéndoles la determinación de los cambios que experimente el eje de rotación en un sólo día. Los científicos también planean hacer que el anillo láser sea capaz de operar de forma continuada de modo que pueda funcionar por un período de años sin ningún tipo de desviaciones. “En palabras simples”, concluye Schreiber, “en el futuro, queremos ser capaces de bajar a la base y averiguar a qué velocidad está girando exactamente la Tierra en este preciso instante.”
Fuentes consultadas
First ever direct measurement of the Earth’s rotation
Physorg
Pinpointing the orientation of the Earth’s axis using the world’s most stable ring laser
Universidad Técnica de Munich
Development of a Ring Laser Gyro: Active Stabillization and Sensitivity Anallysis
Marco Pizzocaro (Universidad de Pisa)
Ring Laser Gyro
Kostas Makris
Using Ring Laser Systems to Measure Gravitomagnetic Effect on Earth
Matteo Luca Ruggiero (Politénico de Turín)
El efecto Sagnac y sus consecuencias
Manuel Torregrosa, Relatividad.org
Óptica Básica
Daniel Malacara. 2ª edición, Fondo de Cultura Económica, México 2004
Consulta recomendada:
How to Detect the Chandler and the Annual Wobble of the Earth with a Large Ring Laser Gyroscope
K. U. Schreiber et al. (Physical Review)
