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超精準原子鐘將成地球物理勘測新利器

來源:不詳       更新時間:2012-11-22 12:08:03
 

 

  將被送上國際空間站的“太空原子鐘組合”(上圖)


  

 

  可用于地球物理勘測(上圖)。
  

  你是否想過用一臺時鐘來勘測礦物沉積、尋找地球內部的水資源呢?據物理學家組織網近日報道,一個由蘇黎世大學科學家領導的國際研究小組證明,最新一代的原子鐘有望成為人們測量地球形狀、分析地球內部結構的有力工具。超精準便攜式原子鐘正面臨著這一突破,這一設想在未來10年內就有可能成為現實。
  
  領導該研究的蘇黎世大學天體物理學家菲利普杰澤和拉克山德拉邦達雷斯庫認為,超精準便攜式原子鐘的精確度已經達到了地球物理勘測要求的水平,比如為繪制大地水準面提供最直接的測量。結合原子鐘與現有的地球物理學測量方法,還可能探測地球內部。
  
  測量大地水準面
  
  大地水準面是地球的實際物理形狀,也就是與靜止海洋面完全重合的重力等位面(連結重力勢能相同點所構成的面,稱為重力等位面)。以前只能用間接方法測量,比如在各大洲,通過跟蹤軌道衛星的高度來計算大地水準面,而且要確定正確的表面非常復雜,有多個選擇。用這種方法算出的大地水準面空間分辨率很低,大約精確到100公里。
  
  而用原子鐘來確定大地水準面,依據是廣義相對論的觀點:放在地球不同位置的時鐘由于到重心的距離不同,其運行速率也不同,距地下重心越近,行走越慢,也就是說,放在地球鐵核上的鐘比其上方洞穴中的鐘走得慢。“在2010年,人們已經用超精準原子鐘測出了兩個高度相差僅33厘米的時鐘之間的時差。”邦達雷斯庫解釋說,“比如要畫出距大地水準面1厘米的局部重力等位面,聽起來不太可能,但用原子鐘技術就可以做到。”
  
  地球物理勘測
  
  用原子鐘還能進行地球物理勘測。邦達雷斯庫介紹,如果把一個原子鐘放在海平面,即大地水準面的某個確定緯度,而把另一個放在陸地上任意位置,其時間與上一個原子鐘同步,兩個鐘之間用光纖或通訊衛星建立起聯系。秒表走的速度將會和原子鐘不同,快還是慢取決于秒表是放在大地水準面之上還是之下,這樣就能測出局部陸地的緯度。
  
  此外,如果把這種局部測繪法和其他地球物理方法,如測量重力場加速度的重力儀結合,還能進一步了解地球的地下結構。
  
  繪制地球深處結構
  
  地球內部結構不同產生了重力差異,而重力差異會對時鐘行走速率產生影響,因此在理論上,原子鐘所能測量的地下深度也就取決于精確檢測這種重力影響的程度。比如一臺精確到高出大地水準面1厘米的原子鐘,它能探測出的最小結構,就好比把一個半徑1.5公里的球埋在地表下2公里處,球的密度與周圍和上面地殼相差20%,原子鐘就能檢測出來。此外,研究人員還估計,如果把一個半徑4公里、密度與上述相同的球埋在地下30公里處,該原子鐘同樣能檢測出來。
  
  目前,超精準原子鐘只能在實驗室內使用,不能運輸攜帶,還無法進行室外作業。但研究人員指出,這種情況過幾年就會改變。包括瑞士電子與微技術中心(CSEM)等多家公司和研究機構已經在致力開發便攜式超精準原子鐘。
  
  “最早到2022年,一臺這種超精準便攜式原子鐘將由歐洲空間局衛星攜帶,飛入太空。”STE-Quest衛星任務瑞士代表飛利浦杰澤教授說,STE-Quest衛星任務的目標是精確試驗廣義相對論。在2014年或2015年初,“太空原子鐘組合”(ACES)將被帶上國際空間站。ACES只是最初的樣機,精確度還不能達到STE-Quest衛星任務的要求。

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