如何用光学原理揭示地球自转速率的微小变化

我们都知道地球是在不断地自转的，但是你可能不知道的是，地球的自转速率并不是恒定不变的。事实上，地球的自转速率会受到很多因素的影响，导致一天的长度会有几毫秒的差异。这些差异对于精确的导航和定位是非常重要的，所以我们需要一种方法来持续地测量地球的自转速率。

那么，什么因素会影响地球的自转速率呢？首先，我们要明白，地球并不是一个完美的球体，而且它的质量分布也不是均匀的。这就意味着，月球和太阳对地球的引力会造成地球的形变，从而改变地球的惯性矩。这种形变会导致地球自转轴发生周期性的摆动。同时，这种形变也会导致一天的长度发生周期性的变化。这些周期性的变化有日潮和半日潮两种类型，它们分别对应于地球自转一周和半周所受到的潮汐力。这些变化的幅度大约在0.1 ppm（百万分之一）左右，可以很容易地观测到，并且可以用理论模型很好地解释。

但是，如果我们把分辨率提高到比这些潮汐信号还高，我们就会发现另一组变化，它们是不可预测的。它们是由地球上流体（主要是大气、水圈和冰盖）在全球范围内发生质量迁移现象所引起的，这些质量迁移现象会与地球固体部分交换角动量。一个典型的例子就是厄尔尼诺现象，它每隔几年就会发生一次，引起明显的季节性效应。还有一些更小的周期性变化，周期大约在九天和十四天左右。日长变化是所有质量迁移现象综合效应的结果，主要由大尺度空气质量环流模式决定，其次是海洋流动。

那么，我们怎么测量这些微小的自转速率变化呢？我们需要一种惯性测量技术，也就是说，不需要依赖于外部参考系。传统的方法是用望远镜观测遥远的类星体（活跃星系核）来确定地球旋转了多少角度。但是这种方法只能提供每天一次的平均结果。我们需要一种能够连续测量每隔几个小时就能得到一个数据点的方法。

这就是我们使用环形激光干涉仪来测量地球自转速率变化的原理。环形激光干涉仪是一种特殊类型的陀螺仪，它利用光学原理来检测旋转运动。它由一个正方形形状的环路组成，每边长4米。在环路内部，有两束激光沿着相反的方向循环传播。其中一束激光与地球的自转方向一致，另一束激光与地球的自转方向相反。

由于多普勒效应，与地球自转方向一致的激光波长会被拉长，而与地球自转方向相反的激光波长会被缩短。当这两束波长不同的激光重新合并时，它们会产生干涉效应，也就是说，它们会形成一个“拍”信号，就像两个音高不同的音符一样。这个拍信号就能够揭示地球的自转速率，从而让我们测量出一天的长度，精度可以达到毫秒级别。

科学家在德国韦策尔测地观测站建造了一个环形激光干涉仪，名为“G”。科学家用它连续测量了120天的地球自转速率变化，并且观察到了在十亿分之五的水平上的微小变化，也就是说，在几毫秒的分辨率上。这些变化与全球导航卫星系统和超长基线干涉测量所得到的结果非常吻合，但是该方法更加灵敏和高效。

我们希望通过这种方法，能够更好地理解和监测地球上流体的复杂运动，从而为地球物理学、气候学和海洋学等领域提供更多的信息。