Специалистами Национальной физической лаборатории, Physikalisch-Technische Bundesanstalt в сотрудничестве с экспертами Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica впервые использовали переносные оптические атомные часы для измерения гравитации
В отличие от часов PATEK PHILIPPE Annual Calendar Complications, которые может использовать любой человек, оптические атомные часы ограничены лабораториями в нескольких крупных исследовательских институтах. Международная команда ученых разработала переносные устройства с оптической решеткой стронция, открыв возможность проведения измерений в полевых условиях. Такие транспортируемые часы были задействованы исследователями во французской подземной лаборатории Modane, которая расположена в середине автодорожного туннеля Fréjus между Францией и Италией.
Таким образом, ученые измерили разницу в потенциале силы тяжести между часами, расположенными внутри горы и вторым устройством INRIM, находящимся в 90 км в итальянском Турине, с разницей по высоте около 1000 м. Точное сравнение двух часовых механизмов стало возможным благодаря использованию оптического волокна длиной 150 км, установленного INRIM, и частотной гребенкой для подключения часов к линии. Исследователи Лейбницского университета Ганновера определили разницу потенциалов силы тяжести, используя обычные геодезические методы, и два измерения были показаны как последовательные.
С улучшением точности переносимых оптических часов использованный метод имеет потенциал для разрешения разностей высот на расстоянии 1 см от поверхности Земли. Преимущество использования оптических часов состоит в том, что они могут производить измерения в определенных точках, в отличие от спутниковых измерений, таких как GRACE и GOCE, которые в среднем определяют гравитационный потенциал на длинах шкалы около 100 км. Этот новый метод может привести к более точным измерениям гравитационного потенциала планеты, позволяя экспертам с беспрецедентной точностью отслеживать изменения высоты континента, связанные с уровнями моря и динамикой океанских течений.
В настоящее время разные страны измеряют поверхность Земли таким же образом, но относительно разных эталонных уровней. Это привело к проблемам: одним из таких мостов стал Хохрейнский мост между Германией и Швейцарией, где строительство с каждой стороны использовало различные расчеты уровня моря, что привело расхождениям между двумя сторонами с разницей в 54 см. Достижение согласованности между национальными системами высот поможет предотвратить дорогостоящие ошибки в инженерных и строительных проектах. Кроме того, боле точные измерения гравитационного потенциала могут помочь улучшить понимание геодинамических эффектов, связанных с изменениями массы под поверхностью Земли.
Этот тип измерения высоты поможет специалистам контролировать изменение уровня моря в реальном времени, позволяя отслеживать сезонные и долгосрочные тенденции в массах ледяного покрова и изменениях общей массы океана. Такие данные обеспечивают важный вклад в модели, используемые для изучения и прогнозирования последствий изменения климата.
Хелен Марголис, научный сотрудник по стандартам оптических частот и метрологии в NPL, сказала: «Наш эксперимент доказывает, что оптические переносные часы могут обеспечить способ устранения расхождений и гармонизации измерений, производимых через национальные границы. Однажды такая технология поможет контролировать изменения уровня моря, происходящее из-за изменения климата».
«Оптические часы считаются атомными часами следующего поколения и способны работать не только в лабораториях, но и в качестве мобильных точных приборов. Это сотрудничество еще раз доказывает, как такие дисциплины, как физика или метрология, геодезия и исследование воздействия на климат, могут взаимно выгодны», добавил Кристиан Лисдат, один из исследователей.
Дэвид Калонико из INRIM сказал: «Мы продемонстрировали, как оптические часы являются ценными квантовыми датчиками. Вместе такие переносные часы и оптоволоконные линии обеспечивают возможность доступа к новым и захватывающим научным исследованиям»,
Хайнер Денкер из Университета Лейбница говорит: «Недавно разработанные оптические часы могут революционизировать определение геодезической высоты, поскольку они могут преодолеть некоторые ограничения классической геодезической техники. Такие устройства могли бы помочь создать единую систему отсчета мировых высот с существенным воздействием на геодинамические и климатические исследования».