Zmieni się sposób pomiaru wysokości na Ziemi. Pomoże zegar w kosmosie
W przestrzeni kosmicznej uruchomiono właśnie urządzenie, które może całkowicie zmienić pojęcie poziomu morza. Nie chodzi jednak o satelitę, a o zegar – najdokładniejszy, jaki kiedykolwiek znalazł się poza naszą planetą.
Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) to projekt Europejskiej Agencji Kosmicznej, który zamienia zegar w narzędzie pomiaru wysokości. Zasada działania opiera się na znanym z teorii względności zjawisku dylatacji czasu – im słabsze pole grawitacyjne, tym szybciej płynie czas. Urządzenie łączy w sobie dwa rodzaje zegarów atomowych w jeden system o precyzji przewyższającej wszystko, co wcześniej udało się wynieść na orbitę.
ACES – niepozorny, a przełomowy
Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) to zestaw dwóch zsynchronizowanych zegarów atomowych, opartych na atomach cezu i wodoru, które wspólnie tworzą niezwykle precyzyjny rytm tykania. Cezowy zegar bazuje na drganiach atomów cezu-133, standardzie wykorzystywanym w metrologii czasu, natomiast zegar wodorowy stabilizuje częstotliwość. Ich połączenie pozwala uzyskać dokładność, która przewyższa obecne systemy satelitarne o rzędy wielkości.
Jak czytamy w artykule opublikowanym na łamach MIT Technology Review, ACES umieszczony na ISS osiąga precyzję, która eliminuje błąd jednej sekundy przez co najmniej 300 mln lat. Dla porównania: zegary GPS mają dokładność zaledwie 1 s na 3 tys. lat. Klucz do sukcesu? Mikrofale i optyka kwantowa, kontrolowane precyzyjnie w ekstremalnych warunkach orbity.
Czas jako miara wysokości – jak to działa?
ACES to nie tylko zegar do mierzenia czasu, lecz przede wszystkim narzędzie badawcze dla geofizyki i fizyki. Dzięki relatywistycznemu zjawisku dylatacji czasu, w którym ten płynie wolniej tam, gdzie grawitacja jest silniejsza, możliwe staje się użycie różnic w tempie tykania zegarów do odwzorowania pola grawitacyjnego Ziemi. Na tej podstawie można zbudować bardziej precyzyjną wersję tzw. geoidy – czyli matematycznego modelu Ziemi, który wyznacza zerowy poziom wysokości. W praktyce to właśnie odległość od tej powierzchni pozwala precyzyjnie określać wysokość dowolnego punktu na świecie. ACES stanie się więc ważnym elementem testowym nowej, orbitalnej sieci pomiarowej, która w przyszłości może zastąpić kosztowne i ograniczone pomiary naziemne.
Przeczytaj także:
ACES ma rozpocząć eksperymentalne połączenia z najdokładniejszymi zegarami na Ziemi, tworząc jednocześnie sieć pozwalającą na synchroniczne pomiary i kalibrację pomiędzy kontynentami. W pierwszej fazie połączenie zostanie nawiązane z 3 zegarami w Niemczech, co pozwoli potwierdzić zgodność pomiarów i dokładność transferu danych z orbity. W kolejnych latach ESA planuje rozbudować sieć o kolejne zegary optyczne, które są nawet 50 razy dokładniejsze niż ACES. To one mają stanowić fundament przyszłej architektury pomiaru wysokości, opartej nie na lokalnych systemach odniesienia, ale na uniwersalnym standardzie relatywistycznym.
Wyzwania inżynieryjne i naukowe
Zbudowanie ACES zajęło aż 30 lat, a miniaturyzacja systemu z rozmiarów laboratorium do wielkości lodówki była ogromnym wyzwaniem inżynieryjnym. ESA musiała stworzyć środowisko na tyle stabilne, by drgania atomowe pozostały niezakłócone nawet w warunkach mikrograwitacji.
ACES to nie tylko zwykły projekt naukowy – to urządzenie, które przenosi pomiar wysokości z poziomu geodezyjnej mapy na domenę fizyki fundamentalnej. W czasach powszechnego wykorzystywania łączności GPS i cyfrowych modeli terenu mogłoby się wydawać, że wiemy już wszystko o wysokości nad poziomem morza. Tymczasem projekt ACES udowadnia, że nawet w tak pozornie ustalonej dziedzinie nadal można zadać nowe pytania – i odpowiedzieć na nie z dokładnością, która kiedyś wydawała się dla nas czystą abstrakcją.
*Źródło zdjęcia głównego: ESA
