LA ROTAZIONE TERRESTRE NASCONDE SEGRETI PROFONDI, CHE SOLO STRUMENTI DI ESTREMA PRECISIONE
POSSONO SVELARE. I GIROSCOPI LASER AD ANELLO, BASATI SULL’EFFETTO SAGNAC, RAPPRESENTANO UNA DELLE
TECNOLOGIE PIÙ AVANZATE PER LO STUDIO DELLA GEOFISICA E DELLA FISICA FONDAMENTALE. TRA QUESTI, IL PROGETTO
GINGER, OSPITATO NEI LABORATORI NAZIONALI DEL GRAN SASSO DELL’ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
(INFN), SI PROPONE DI MISURARE CON SENSIBILITÀ SENZA PRECEDENTI LA VELOCITÀ ANGOLARE DELLA TERRA E LE SUE
VARIAZIONI. NON SI TRATTA SOLO DI GEODESIA: QUESTI STRUMENTI OFFRONO LA POSSIBILITÀ DI SONDARE EFFETTI PREVISTI
DALLA RELATIVITÀ GENERALE E SPINGERE I CONFINI DELLA SCIENZA. GRAZIE A DECENNI DI SVILUPPO TECNOLOGICO E
COLLABORAZIONI INTERNAZIONALI, GINGER SI CANDIDA A DIVENTARE UN PUNTO DI RIFERIMENTO GLOBALE PER LA RICERCA SULLE ROTAZIONI E LE LORO IMPLICAZIONI. A CHE SERVE UN GIROSCOPIO?

di Angela D. V. di Virgilio e Niccolò Beverini 

Un giroscopio accoppiato a un accelerometro permette di ricostruire per integrazione i dati di navigazione rispetto ad un sistema inerziale di un mezzo mobile, sia questo una nave, un aereo, un sommergibile o un missile. E questo senza bisogno di ricorrere a riferimenti o segnali esterni. Al giorno d’oggi la navigazione degli aerei commerciali è garantita da giroscopi laser di piccole dimensioni, dell’ordine della decina di centimetri, con un’accuratezza su una ora migliore di 0,01°, che può arrivare negli strumenti top di gamma in uso sui sommergibili strategici ad un errore sulla misura della velocità angolare dell’ordine di 1×10^-4°/h, (equivalente a circa 0,5×10^-9rad/s). Attualmente giroscopi laser, altrimenti detti ‘Ring Laser, RL’, a volte anche RLG, in cui G sta per ‘gyroscope’, hanno il record di sensibilità. Con RLG delle dimensioni di qualche metro si è dimostrato che si può migliorare la precisione di più ordini di grandezza, aprendo nuove prospettive di utilizzo. In primo luogo, la misura locale ad altissima accuratezza della velocità angolare terrestre è di fondamentale interesse per la geodesia e la geofisica in generale.

E’ circa dal 1890 che si misurano i parametri della rotazione terrestre (EOP, Earth Orientation Parameters), inizialmente con osservazioni al telescopio da terra, seguite poi dal VLBI (Very Large Base Interferometer), dalle misure sulle orbite dei satelliti, dalle stazioni a terra da doppler-DORIS, Laser Ranging, e più di recente dalle costellazioni GNSS. Al momento si sanno ben misurare con grande precisione, sui periodi più lunghi di 2 giorni ma, con i metodi attualmente usati, c’è anche una zona non osservabile tra 1 e 7 giorni di periodo. La velocità angolare della Terra e l’orientazione del suo asse presentano delle variazioni in generale inferiori a 1” d’arco, dovuti principalmente ai moti della porzione fluida del nucleo terrestre, che non sono predicibili.

Le precisioni raggiunte sono adeguate per medie di qualche giorno, attualmente lo sforzo è orientato a fornire misure più veloci per misurare sulla scala temporale delle ore effetti dovuti alle maree terrestri, maree atmosferiche e la ridistribuzione delle masse idrologiche, che influenzano il moto del polo, la scala del tempo astronomico UT1 e la lunghezza del giorno (LoD, Length of Day). Il GNSS (Global Navigation Satellite System, comprendente gli attuali sistemi di localizzazione, quali le costellazioni GPS, Galileo e Glonass), essendo un sistema continuo, negli ultimi tempi sta dando una mano in questo senso. L’errore nelle misure dal 1890 ad oggi è migliorato di circa 400 volte, passando da circa 40prad/s, al di sotto di 0.1prad/s.

Un altro segnale atteso molto interessante è la redistribuzione di masse dopo un forte terremoto, oppure dovuto a eventi geomagnetici nel nucleo fluido della terra. A differenza delle reti satellitari, che hanno carattere globale e quindi richiedono per l’interpretazione complesse modellizzazioni del potenziale gravitazionale terrestre, il dato fornito da RLG è locale. Quello che vogliamo sottolineare è che inevitabilmente le misure di altissima precisione sul nostro pianeta possono dare informazioni importanti, sia per la geofisica che per la fisica fondamentale. Quindi non dovremo meravigliarci se misurando la velocità angolare della terra con i RLG che intendiamo costruire saremo in grado di osservare anche effetti previsti dalla relatività generale o magari da teorie post-relativistiche. Questi effetti dovuti alle perturbazioni locali alla metrica dello spazio-tempo, dovuti alla presenza della massa rotante della Terra, potranno essere rivelati confrontando le misure dei RLG con le misure indipendenti relative alla sola parte cinematica fornite dal International Earth Rotation System (IERS).

PROBLEMI GENERALI DELLE MISURE DI ROTAZIONE

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L’articolo è pubblicato in COELUM 272 VERSIONE CARTACEA