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      超精準(zhǔn)原子鐘將成地球物理勘測(cè)新利器

      2012年11月21日 9:16 4653次瀏覽 來源:   分類: 新技術(shù)

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      將被送上國際空間站的“太空原子鐘組合”(圖)

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      可用于地球物理勘測(cè)(圖)

        你是否想過用一臺(tái)時(shí)鐘來勘測(cè)礦物沉積、尋找地球內(nèi)部的水資源呢?據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道,一個(gè)由蘇黎世大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組證明,最新一代的原子鐘有望成為人們測(cè)量地球形狀、分析地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有力工具。超精準(zhǔn)便攜式原子鐘正面臨著這一突破,這一設(shè)想在未來10年內(nèi)就有可能成為現(xiàn)實(shí)。
        領(lǐng)導(dǎo)該研究的蘇黎世大學(xué)天體物理學(xué)家菲利普·杰澤和拉克山德拉·邦達(dá)雷斯庫認(rèn)為,超精準(zhǔn)便攜式原子鐘的精確度已經(jīng)達(dá)到了地球物理勘測(cè)要求的水平,比如為繪制大地水準(zhǔn)面提供最直接的測(cè)量。結(jié)合原子鐘與現(xiàn)有的地球物理學(xué)測(cè)量方法,還可能探測(cè)地球內(nèi)部。

        測(cè)量大地水準(zhǔn)面
        大地水準(zhǔn)面是地球的實(shí)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(jié)重力勢(shì)能相同點(diǎn)所構(gòu)成的面,稱為重力等位面)。以前只能用間接方法測(cè)量,比如在各大洲,通過跟蹤軌道衛(wèi)星的高度來計(jì)算大地水準(zhǔn)面,而且要確定正確的表面非常復(fù)雜,有多個(gè)選擇。用這種方法算出的大地水準(zhǔn)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(zhǔn)面,依據(jù)是廣義相對(duì)論的觀點(diǎn):放在地球不同位置的時(shí)鐘由于到重心的距離不同,其運(yùn)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(jīng)用超精準(zhǔn)原子鐘測(cè)出了兩個(gè)高度相差僅33厘米的時(shí)鐘之間的時(shí)差。”邦達(dá)雷斯庫解釋說,“比如要畫出距大地水準(zhǔn)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(shù)就可以做到。”

        地球物理勘測(cè)
        用原子鐘還能進(jìn)行地球物理勘測(cè)。邦達(dá)雷斯庫介紹,如果把一個(gè)原子鐘放在海平面,即大地水準(zhǔn)面的某個(gè)確定緯度,而把另一個(gè)放在陸地上任意位置,其時(shí)間與上一個(gè)原子鐘同步,兩個(gè)鐘之間用光纖或通訊衛(wèi)星建立起聯(lián)系。秒表走的速度將會(huì)和原子鐘不同,快還是慢取決于秒表是放在大地水準(zhǔn)面之上還是之下,這樣就能測(cè)出局部陸地的緯度。
        此外,如果把這種局部測(cè)繪法和其他地球物理方法,如測(cè)量重力場(chǎng)加速度的重力儀結(jié)合,還能進(jìn)一步了解地球的地下結(jié)構(gòu)。

        繪制地球深處結(jié)構(gòu)
        地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)生了重力差異,而重力差異會(huì)對(duì)時(shí)鐘行走速率產(chǎn)生影響,因此在理論上,原子鐘所能測(cè)量的地下深度也就取決于精確檢測(cè)這種重力影響的程度。比如一臺(tái)精確到高出大地水準(zhǔn)面1厘米的原子鐘,它能探測(cè)出的最小結(jié)構(gòu),就好比把一個(gè)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(cè)出來。此外,研究人員還估計(jì),如果把一個(gè)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(cè)出來。
        目前,超精準(zhǔn)原子鐘只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用,不能運(yùn)輸攜帶,還無法進(jìn)行室外作業(yè)。但研究人員指出,這種情況過幾年就會(huì)改變。包括瑞士電子與微技術(shù)中心(CSEM)等多家公司和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在致力開發(fā)便攜式超精準(zhǔn)原子鐘。
        “最早到2022年,一臺(tái)這種超精準(zhǔn)便攜式原子鐘將由歐洲空間局衛(wèi)星攜帶,飛入太空。”STE-Quest衛(wèi)星任務(wù)瑞士代表飛利浦·杰澤教授說,STE-Quest衛(wèi)星任務(wù)的目標(biāo)是精確試驗(yàn)廣義相對(duì)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(jī),精確度還不能達(dá)到STE-Quest衛(wèi)星任務(wù)的要求。
        

      責(zé)任編輯:安子

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