Les chercheurs ont réalisé une percée dans la mesure de la rotation de la Terre avec une précision sans précédent à l’aide d’un laser annulaire avancé à l’observatoire géodésique de Wetzel. Cette technologie améliorée permet de capturer des données quotidiennes de haute qualité, essentielles pour déterminer la position de la Terre dans l’espace et améliorer la recherche et les modèles climatiques. (Illustration d’artiste montrant l’utilisation de lasers pour mesurer la rotation de la Terre.)
Des scientifiques de l’Université technique de Munich (TUM) ont réalisé des progrès majeurs dans la mesure de la rotation de la Terre avec une précision sans précédent. Le laser annulaire de l’observatoire géodésique de Wettzell peut désormais être utilisé pour capturer des données d’un niveau de qualité sans précédent partout dans le monde. Ces mesures sont cruciales pour déterminer la position de la Terre dans l’espace, faciliter la recherche climatique et améliorer la fiabilité des modèles climatiques.
Technologie avancée de laser annulaire
Souhaitez-vous descendre rapidement les escaliers et voir à quelle vitesse la Terre a tourné au cours des dernières heures ? C’est désormais possible à l’Observatoire géodésique de Wettzell. Les chercheurs de TUM y ont amélioré le laser annulaire afin qu’il puisse fournir des données actuelles quotidiennes, ce qui n’était pas encore possible avec des niveaux de qualité comparables.
Que mesure exactement un laser annulaire ? Au cours de son voyage dans l’espace, la Terre tourne autour de son axe à des vitesses légèrement variables. De plus, l’axe autour duquel tourne la planète n’est pas complètement fixe, il oscille légèrement. En effet, notre planète n’est pas complètement solide, mais est composée de différentes parties, certaines solides et d’autres liquides. L’intérieur de la Terre lui-même est donc constamment en mouvement. Ces changements de masse accélèrent ou ralentissent la rotation de la planète, différences qui peuvent être détectées à l’aide de systèmes de mesure comme le laser annulaire TUM.
Le laser annulaire de Wettzell a été continuellement amélioré depuis sa création. Crédit : Astrid Eckert/Tom
« Les fluctuations de la circulation ne sont pas seulement importantes pour l’astronomie, nous en avons également un besoin urgent pour créer des modèles climatiques précis et mieux comprendre les phénomènes météorologiques tels qu’El Niño. Plus les données sont précises, plus elles le seront », déclare le professeur Ulrich Schreiber. , qui a dirigé le projet à l’Observatoire TUM. La précision des prévisions a augmenté.
Améliorations et défis techniques
Lors de la réparation du système laser en anneau, l’équipe a donné la priorité à la recherche d’un bon équilibre entre taille et stabilité mécanique, car plus cet appareil est grand, plus les mesures peuvent être sensibles. Cependant, la taille implique des compromis en termes de stabilité et donc de précision.
Un autre défi était la symétrie entre les deux faisceaux laser opposés, qui constitue le cœur du système de Wetzel. Une mesure précise ne peut être effectuée que lorsque les formes d’onde des deux faisceaux laser à propagation inverse sont presque identiques. Cependant, la conception du dispositif fait qu’une certaine asymétrie est toujours présente. Au cours des quatre dernières années, les scientifiques en géodésie ont utilisé un modèle théorique d’oscillations laser pour capturer avec succès ces effets systématiques, au point qu’ils peuvent être calculés avec précision sur une longue période de temps et ainsi être éliminés des mesures.
Précision et applications améliorées
L’appareil peut utiliser ce nouvel algorithme correctif pour mesurer la rotation de la Terre avec une précision allant jusqu’à 9 décimales, soit l’équivalent d’une fraction de milliseconde par jour. Pour les lasers, cela équivaut à une incertitude commençant à la 20e décimale seulement de la fréquence lumineuse et stable pendant plusieurs mois. En général, les fluctuations ascendantes et descendantes observées ont atteint des valeurs allant jusqu’à 6 ms sur une période d’environ 2 semaines.
Les améliorations apportées aux lasers ont désormais rendu les intervalles de mesure beaucoup plus courts. Un logiciel de correctifs nouvellement développé permet à l’équipe de capturer les données actuelles toutes les trois heures. « Dans les sciences de la Terre, des niveaux de résolution temporelle aussi élevés sont complètement nouveaux pour les lasers annulaires autonomes », explique Urs Hugentobler, professeur de géodésie satellitaire à la TUM. « Contrairement à d’autres systèmes, le laser fonctionne de manière totalement autonome et ne nécessite pas de points de référence dans Dans 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 très précis également. Les données capturées indépendamment de l’observation des étoiles peuvent aider à identifier et à compenser les erreurs systématiques dans d’autres méthodes de mesure. » L’utilisation de diverses méthodes contribue à rendre le travail particulièrement précis, en particulier lorsque Précision Les exigences sont élevées, comme pour les lasers annulaires. D’autres améliorations du système sont prévues, ce qui permettra à l’avenir de réduire les périodes de mesure.
Comprendre les lasers annulaires
Les lasers annulaires sont constitués d’un trajet de faisceau carré fermé avec quatre miroirs entièrement entourés d’un corps en vitrocéramique de type Ceran, appelé résonateur. Cela empêche la longueur du trajet de changer en raison des fluctuations de température. Le mélange gazeux hélium/néon à l’intérieur du résonateur permet d’exciter deux faisceaux laser, l’un dans le sens des aiguilles d’une montre et l’autre dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.
Sans le mouvement de la Terre, la lumière parcourrait la même distance dans les deux sens. Mais comme l’appareil se déplace avec la Terre, la distance d’un des faisceaux laser est plus courte, car la rotation de la Terre rapproche les miroirs du faisceau. Dans la direction opposée, la lumière parcourt une distance similaire et plus longue. Cet effet crée une différence dans les fréquences des deux ondes lumineuses dont la superposition génère une tonalité rythmique mesurable de manière très précise. Plus la Terre tourne vite, plus la différence entre les deux fréquences optiques est grande. À l’équateur, la Terre tourne selon un angle de 15 degrés vers l’est toutes les heures. Cela crée un signal de 348,5 Hz dans le TUM. Les fluctuations de la durée du jour apparaissent de l’ordre de 1 à 3 millionièmes de hertz (1 à 3 microHz).
Infrastructure robuste et précise
Chaque côté de l’anneau laser situé dans le sous-sol de l’observatoire de Wettzell mesure quatre mètres de long. Cette structure est ensuite installée sur une solide colonne de béton reposant sur la base solide de la croûte terrestre à une profondeur d’environ six mètres. Cela garantit que la rotation de la Terre est le seul facteur affectant les faisceaux laser et exclut les autres facteurs environnementaux. La construction est protégée par une chambre sous pression qui compense automatiquement les changements de pression de l’air ou de température requise de 12°C. Afin de réduire ces facteurs d’influence, le laboratoire est situé à cinq mètres de profondeur sous une colline artificielle. Il a fallu près de 20 ans de travaux de recherche pour développer le système de mesure.
Référence : « Modifications de la vitesse de rotation de la Terre mesurées par un interféromètre laser en anneau » par K. Ulrich Schreiber, Jan Coudet, Urs Hugentobler, Thomas Klügel et John Paul R. Pays de Galles, 18 septembre 2023, Photonique naturelle. est ce que je: 10.1038/s41566-023-01286-x
Une équipe prépare le lancement du vaisseau spatial Psyché de la NASA à l'intérieur de l'installation d'opérations spatiales Astrotech, près du centre spatial Kennedy de l'agence, en Floride, le 8 décembre 2022. Psyché sera lancé à bord d'une fusée SpaceX Falcon Heavy depuis le complexe de lancement 39A à Kennedy. Crédit : NASA/Ben Smigelsky
NASAL'expérience de communications optiques dans l'espace profond a également interagi pour la première fois avec le système de communication du vaisseau spatial Psyché, transmettant des données techniques à la Terre.
À bord du vaisseau spatial Psyché de la NASA, la démonstration technologique de communications optiques dans l'espace lointain de l'agence continue de battre des records. Bien que le vaisseau spatial à destination de l’astéroïde ne s’appuie pas sur les communications optiques pour envoyer des données, la nouvelle technologie s’est avérée à la hauteur. Après avoir interagi avec l'émetteur radiofréquence de Psyché, l'écran de communication laser a transmis une copie des données techniques à une distance de plus de 140 millions de miles (226 millions de kilomètres), soit l'équivalent d'une fois et demie la distance entre la Terre et le Soleil.
Cette réalisation donne un aperçu de la manière dont les vaisseaux spatiaux utiliseront les communications optiques à l'avenir, permettant des communications à plus haut débit d'informations scientifiques complexes ainsi que des images et des vidéos haute définition pour soutenir le prochain pas de géant de l'humanité : envoyer des humains dans l'espace. Mars.
Cette visualisation montre la position du vaisseau spatial Psyché le 8 avril lorsque l'émetteur-récepteur laser aéronautique DSOC a transmis des données à un débit de 25 mégabits par seconde sur une portée de 140 millions de miles vers une station de liaison descendante sur Terre. Source de l'image : NASA/JPL-Caltech
« Nous avons fourni environ 10 minutes de données en double du vaisseau spatial lors de son survol le 8 avril », a déclaré Meera Srinivasan, responsable des opérations du projet au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. « Jusqu'à présent, nous transmettions des données de test et de diagnostic via nos liaisons descendantes depuis Psyché. Cela représente une étape importante pour le projet en montrant comment les communications optiques peuvent interagir avec le système de communication radiofréquence du vaisseau spatial. »
La technologie de communication laser utilisée dans cette démonstration est conçue pour transmettre des données depuis l'espace lointain à des vitesses 10 à 100 fois plus rapides que les systèmes radiofréquences modernes utilisés aujourd'hui par les missions dans l'espace lointain.
Après son lancement le 13 octobre 2023, le vaisseau spatial reste intact et stable pendant son voyage vers la principale ceinture d'astéroïdes entre Mars et la Terre. Jupiter Pour visiter l'astéroïde lui-même.
Dépasser les attentes
La démonstration des communications optiques de la NASA a montré qu'elle peut transmettre des données de test à un débit maximum de 267 mégabits par seconde (Mbps) à partir du laser de liaison descendante proche infrarouge de l'émetteur-récepteur laser – un débit binaire similaire aux vitesses de téléchargement Internet haut débit.
Cet objectif a été atteint le 11 décembre 2023, lorsque l'expérience a envoyé une vidéo haute résolution de 15 secondes sur Terre à une distance de 19 millions de miles (31 millions de kilomètres, soit environ 80 fois la distance entre la Terre et la Lune). Vidéo, ainsi que d'autres données de test, y compris des versions numériques de l'Arizona State University Inspiré psychologiquement L'œuvre d'art a été téléchargée sur un émetteur-récepteur laser d'aviation (voir l'image ci-dessous) avant le lancement de Psyché l'année dernière.
L'émetteur-récepteur laser Deep Space Optical Communications (DSOC) est exposé au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud en avril 2021, avant d'être installé à l'intérieur de son boîtier carré qui a ensuite été intégré au vaisseau spatial Psyche de la NASA. L'émetteur-récepteur se compose d'un émetteur laser proche infrarouge pour envoyer des données à grande vitesse vers la Terre, et d'une caméra sensible de comptage de photons pour recevoir des données à faible vitesse envoyées depuis la Terre. L'émetteur-récepteur est monté sur un ensemble d'entretoises et d'actionneurs (illustrés sur cette image) qui stabilisent l'optique des vibrations du vaisseau spatial. Source de l'image : NASA/JPL-Caltech
Maintenant que le vaisseau spatial est plus de sept fois plus éloigné, la vitesse à laquelle il peut envoyer et recevoir des données a diminué, comme prévu. Lors du test du 8 avril, le vaisseau spatial a transmis des données de test à un débit maximum de 25 Mbps, dépassant de loin l'objectif du projet consistant à prouver qu'au moins 1 Mbps peut être atteint à cette distance.
L'équipe du projet a également demandé à l'émetteur-récepteur de transmettre optiquement les données générées par Psyché. Pendant que Psyché transmettait des données via son canal radiofréquence au Deep Space Network (DSN) de la NASA, le système de communications optiques transmettait simultanément une partie des mêmes données au télescope Hale de l'observatoire Palomar de Caltech dans le comté de San Diego, en Californie. démonstration de la technologie des stations terriennes de liaison descendante.
« Après avoir reçu les données de DSN et Palomar, nous avons vérifié visuellement les données associées dans Laboratoire de propulsion à réactiona déclaré Ken Andrews, responsable des opérations de vol du projet au JPL. « Il s’agissait d’une petite quantité de données transférées sur une courte période, mais le fait que nous le fassions maintenant a dépassé toutes nos attentes. »
Amusez-vous avec les lasers
Après le lancement de Psyché, la démo de communications optiques a été initialement utilisée pour relier des données préchargées, notamment des données Vidéo du chat Taters. Depuis, le projet a prouvé que l'émetteur-récepteur peut recevoir des données de… Laser de liaison montante haute puissance Dans les installations du JPL à Table Mountain, près de Wrightwood, en Californie. Les données peuvent également être envoyées à un émetteur-récepteur, puis reliées à la Terre la même nuit, comme le projet l'a démontré dans une récente « expérience de transformation ».
Cette expérience a transmis des données de test – ainsi que des photos numériques d’animaux de compagnie – à Psyché et vice-versa, un aller-retour allant jusqu’à 280 millions de miles (450 millions de kilomètres). Il a également communiqué de grandes quantités de données techniques pour la démonstration technologique visant à étudier les propriétés de la liaison de communication optique.
« Nous avons beaucoup appris sur la mesure dans laquelle nous pouvons pousser le système lorsque le ciel est dégagé. Tempêtes «Ils ont parfois interrompu leurs opérations à Table Mountain et à Palomar», a déclaré Ryan Rogalin, responsable du projet électronique du récepteur au JPL. (Bien que les communications par radiofréquence puissent fonctionner dans la plupart des conditions météorologiques, les communications optiques nécessitent un ciel relativement dégagé pour transmettre des données à large bande passante.)
La Deep Space Station 13 du complexe Goldstone de la NASA en Californie, qui fait partie du Deep Space Network de l'agence, est une antenne expérimentale modernisée dotée d'une pointe optique. Initialement, cette preuve de concept recevait simultanément des signaux radiofréquence et laser provenant de l’espace lointain. Source de l'image : NASA/JPL-Caltech
Le JPL a récemment mené une expérience visant à combiner Palomar, une antenne optique radiofréquence expérimentale du Goldstone Deep Space Communications Complex de DSN à Barstow, en Californie, et un détecteur à Table Mountain pour recevoir le même signal de concert. « Organiser » plusieurs stations au sol pour imiter un grand récepteur peut aider à amplifier le signal de l'espace lointain. Cette stratégie peut également être utile si une station au sol est contrainte de se déconnecter en raison des conditions météorologiques ; D'autres stations peuvent toujours recevoir le signal.
En savoir plus sur la mission
Cette démonstration, gérée par le JPL, est la dernière d'une série d'expériences de communications optiques financées par le programme Technology Demonstration Mission (TDM) de la NASA et le programme SCaN (Space Communications and Navigation) de l'agence au sein de la Direction des missions des opérations spatiales. Le développement de l'émetteur-récepteur laser pour l'aviation est soutenu par Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory, L3 Harris, CACI, First Mode, Controlled Dynamics Inc., Fibretek, Coherent et Dotfast prennent en charge les systèmes au sol. Une partie de cette technologie a été développée dans le cadre du programme de recherche sur l'innovation dans les petites entreprises de la NASA.
L'Arizona State University dirige la mission Psyché. JPL est responsable de la gestion globale de la mission, de l’ingénierie système, de l’intégration et des tests, ainsi que des opérations de la mission. Psyché est la 14e mission sélectionnée dans le cadre du programme d'exploration de la NASA relevant de la Direction des missions scientifiques, gérée par le Marshall Space Flight Center de l'agence à Huntsville, en Alabama. Le programme de services de lancement de la NASA, dont le siège est au Kennedy Space Center de l'agence en Floride, a géré le service de lancement. Maxar Technologies a fourni le châssis du vaisseau spatial à propulsion électrique solaire à haute énergie de Palo Alto, en Californie.
Pendant des décennies, la plupart des estimations de l'eau totale des rivières sur Terre étaient des améliorations par rapport aux chiffres de l'ONU de 1974. De meilleures estimations ont été difficiles à obtenir en raison du manque d'observations des rivières du monde, en particulier celles qui sont éloignées des concentrations humaines. Aujourd'hui, en utilisant une nouvelle approche, les scientifiques de la NASA ont réalisé de nouvelles estimations de la quantité d'eau qui s'écoule dans les rivières de la Terre, de la vitesse à laquelle elle s'écoule dans l'océan et de la fluctuation de ces deux chiffres au fil du temps. Ces informations sont essentielles pour comprendre le cycle de l’eau de la planète et gérer les réserves d’eau douce.
Pour obtenir une image globale de la quantité d'eau que contiennent les rivières de la Terre, des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA ont combiné des mesures de débitmètre avec des modèles informatiques d'environ 3 millions de segments de rivières à travers le monde. La recherche a été dirigée par Elissa Collins, qui a mené l’analyse en tant que stagiaire au JPL et doctorante à la North Carolina State University. Publié dans Sciences naturelles de la terre.
Les scientifiques ont estimé que le volume total d'eau des rivières de la Terre, en moyenne, entre 1980 et 2009, était de 2 246 kilomètres cubes (539 miles cubes). Cela équivaut à la moitié de l’eau du lac Michigan et à environ 0,006 % de l’eau douce totale, qui représente elle-même 2,5 % du volume mondial. Même si les rivières représentent une petite partie de l'approvisionnement total en eau de la planète, elles sont vitales pour les humains depuis les premières civilisations.
La carte en haut de cette page montre le volume d'eau stocké par région hydrologique. Les chercheurs ont estimé que le bassin amazonien (bleu foncé) contient environ 38 pour cent de l'eau fluviale mondiale, le pourcentage le plus élevé évalué dans toutes les régions hydrologiques. Le même bassin rejette également le plus d’eau dans l’océan (deuxième carte) : 6 789 kilomètres cubes (1 629 miles cubes) par an. Cela représente 18 % des rejets mondiaux dans les océans, qui ont atteint en moyenne 37 411 kilomètres cubes (8 975 milles cubes) par an de 1980 à 2009.
Bien qu'il ne soit pas possible qu'une rivière ait un débit négatif (l'approche de l'étude ne permet pas un écoulement en amont), à des fins comptables, il est possible que moins d'eau sorte de certaines parties de la rivière qu'elle n'en entre. C’est ce que les chercheurs ont découvert pour certaines parties des bassins des fleuves Colorado, Amazone et Orange, ainsi que pour le bassin Murray-Darling, dans le sud-est de l’Australie. Ces flux négatifs indiquent pour la plupart une utilisation humaine intense de l’eau.
« Ce sont les endroits où nous voyons les empreintes digitales de la gestion de l’eau », a déclaré Collins.
Les chercheurs ont découvert que le trou bleu de Tam Ga, au Mexique, est le trou sous-marin connu le plus profond au monde, et ils n'ont pas encore atteint le fond.
De nouvelles mesures indiquent que le Tam Ja Blue Hole (TJBH), situé dans la baie de Chetumal, au large de la côte sud-est de la péninsule du Yucatán, s'étend à au moins 1 380 pieds (420 mètres) sous le niveau de la mer.
C'est 480 pieds (146 mètres) plus profond que ce que les scientifiques avaient initialement documenté lorsqu'ils l'ont découvert pour la première fois. Découvrez le trou bleu En 2021, il est 390 pieds (119 m) plus profond que le niveau de la mer Ancien détenteur du record – Le Trou Bleu de Sansha Yongle, d'une profondeur de 301 m, également connu sous le nom de Trou du Dragon, dans la mer de Chine méridionale.
« Le 6 décembre 2023, une expédition de plongée a été menée pour connaître les conditions environnementales dominantes à TJBH », ont écrit les chercheurs dans une étude publiée lundi 29 avril dans la revue. Frontières des sciences marines. Au cours de l'expédition, les chercheurs ont effectué des mesures à l'aide d'un profileur de conductivité, de température et de profondeur (CTD), un appareil contenant un ensemble de capteurs qui… Lire et transmettre les propriétés de l'eau Vers la surface en temps réel via câble. Les données ont révélé que le trou bleu de Tam Ga est « le trou bleu connu le plus profond au monde et que son fond n’a pas encore été atteint », ont écrit les chercheurs dans l’étude.
à propos de: Une immense grotte au Mexique, formée il y a 15 millions d'années, est plus grande que nous le pensions
Le chercheur a également mis en évidence différentes couches d'eau dans le trou bleu, y compris une couche inférieure à 400 mètres où les conditions de température et de salinité sont similaires à celles trouvées dans la mer des Caraïbes et dans les lagons récifaux côtiers voisins. Cela suggère que TJBH pourrait être connecté à l'océan via un réseau caché de tunnels et de grottes, selon l'étude.
Les trous bleus sont des cavernes verticales remplies d'eau, ou les égoutsOn le trouve dans les zones côtières où le substrat rocheux est constitué de matériaux solubles, tels que le calcaire, le marbre ou le gypse. Ils se forment lorsque l’eau à la surface s’infiltre à travers les roches, dissolvant les minéraux et élargissant les fissures, provoquant finalement l’effondrement des roches. Des exemples célèbres incluent le Dean Blue Hole aux Bahamas, le Dahab Blue Hole en Égypte et le Great Blue Hole au Belize.
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Localisation du Tam Ga Blue Hole dans la baie de Chetumal, Mexique, et photos d'un voyage de plongée en décembre 2023. (Crédit image : Alcérreca-Huerta et al. Frontiers in Marine Science (2024))
Les premières mesures du TJBH ont été prises à l'aide d'un échosondeur, un appareil qui envoie des ondes sonores au fond de l'eau et mesure leur vitesse de retour pour calculer la distance. Cependant, les techniques d’écho des trous bleus présentent des limites en raison des fluctuations de la densité de l’eau et de la forme imprévisible de chaque trou, qui peut ne pas être parfaitement vertical.
« Confirmer la profondeur maximale n'a pas été possible en raison des limitations des instruments lors des missions scientifiques en 2021 », ont écrit les chercheurs dans l'étude.
L'instrument CTD utilisé dans les travaux récents n'a pas non plus pu trouver le fond du trou bleu, car il ne peut fonctionner qu'à une profondeur de 1 640 pieds (500 mètres). Les scientifiques ont abaissé le dispositif d'identification à cette profondeur, mais le câble auquel il était connecté a peut-être été emporté par les courants sous-marins ou a heurté un rebord qui a arrêté l'appareil dans son élan à une profondeur de 1 380 pieds, selon l'étude.
Ensuite, les scientifiques prévoient de déchiffrer la profondeur maximale de TJBH et son potentiel à faire partie d'un système sous-marin complexe et peut-être interconnecté de grottes et de tunnels, ont écrit les chercheurs.
« Au plus profond du TJBH, il pourrait également y avoir une biodiversité à explorer », ont-ils ajouté.
