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用时间测量结构—超精准原子钟将成地球物理勘测新利器
将被送上国际空间站的“太空原子钟组合”可用于地球物理勘测

  

你是否想过用一台时钟来勘测矿物沉积、寻找地球内部的水资源呢?据物理学家组织网近日报道,一个由苏黎世大学科学家领导的国际研究小组证明,最新一代的原子钟有望成为人们测量地球形状、分析地球内部结构的有力工具。超精准便携式原子钟正面临着这一突破,这一设想在未来10年内就有可能成为现实。

领导该研究的苏黎世大学天体物理学家菲利普·杰泽和拉克山德拉·邦达雷斯库认为,超精准便携式原子钟的精确度已经达到了地球物理勘测要求的水平,比如为绘制大地水准面提供最直接的测量。结合原子钟与现有的地球物理学测量方法,还可能探测地球内部。

测量大地水准面

大地水准面是地球的实际物理形状,也就是与静止海洋面完全重合的重力等位面(连结重力势能相同点所构成的面,称为重力等位面)。以前只能用间接方法测量,比如在各大洲,通过跟踪轨道卫星的高度来计算大地水准面,而且要确定正确的表面非常复杂,有多个选择。用这种方法算出的大地水准面空间分辨率很低,大约精确到100公里。

而用原子钟来确定大地水准面,依据是广义相对论的观点:放在地球不同位置的时钟由于到重心的距离不同,其运行速率也不同,距地下重心越近,行走越慢,也就是说,放在地球铁核上的钟比其上方洞穴中的钟走得慢。“在2010年,人们已经用超精准原子钟测出了两个高度相差仅33厘米的时钟之间的时差。”邦达雷斯库解释说,“比如要画出距大地水准面1厘米的局部重力等位面,听起来不太可能,但用原子钟技术就可以做到。”

地球物理勘测

用原子钟还能进行地球物理勘测。邦达雷斯库介绍,如果把一个原子钟放在海平面,即大地水准面的某个确定纬度,而把另一个放在陆地上任意位置,其时间与上一个原子钟同步,两个钟之间用光纤或通讯卫星建立起联系。秒表走的速度将会和原子钟不同,快还是慢取决于秒表是放在大地水准面之上还是之下,这样就能测出局部陆地的纬度。

此外,如果把这种局部测绘法和其他地球物理方法,如测量重力场加速度的重力仪结合,还能进一步了解地球的地下结构。

绘制地球深处结构

地球内部结构不同产生了重力差异,而重力差异会对时钟行走速率产生影响,因此在理论上,原子钟所能测量的地下深度也就取决于精确检测这种重力影响的程度。比如一台精确到高出大地水准面1厘米的原子钟,它能探测出的最小结构,就好比把一个半径1.5公里的球埋在地表下2公里处,球的密度与周围和上面地壳相差20%,原子钟就能检测出来。此外,研究人员还估计,如果把一个半径4公里、密度与上述相同的球埋在地下30公里处,该原子钟同样能检测出来。

目前,超精准原子钟只能在实验室内使用,不能运输携带,还无法进行室外作业。但研究人员指出,这种情况过几年就会改变。包括瑞士电子与微技术中心(CSEM)等多家公司和研究机构已经在致力开发便携式超精准原子钟。

“最早到2022年,一台这种超精准便携式原子钟将由欧洲空间局卫星携带,飞入太空。”STE-Quest卫星任务瑞士代表飞利浦·杰泽教授说,STE-Quest卫星任务的目标是精确试验广义相对论。在2014年或2015年初,“太空原子钟组合”(ACES)将被带上国际空间站。ACES只是最初的样机,精确度还不能达到STE-Quest卫星任务的要求。

(文章来源:科技日报)








 
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