Orologi atomici per misurare il geoide terrestre dal suolo

Il geoide terrestre è la forma che assumerebbe il pianeta se la sua superficie fosse fatta di acqua. Naturalmente, ci sono poche controversie sulla forma del geoide sugli oceani, dove varia di soli 100 metri circa a causa delle variazioni della densità del sottosuolo terrestre.

Ma sulla terra, il geoide è molto più difficile da definire. I fisici lo fanno misurando l'altitudine dei satelliti mentre orbitano. Quindi elaborano i dati per calcolare la forma di una superficie che riproduce in modo più accurato il livello globale del mare. Quindi estrapolano questo attraverso i continenti.

Ma i risultati hanno importanti limiti. Innanzitutto, i calcoli sono intensivi e le soluzioni possono essere multivalore, quindi è necessario prendere una decisione soggettiva per scegliere un valore particolare. Inoltre, i risultati hanno una risoluzione spaziale limitata a 400 km circa.

Nei continenti, dove ci sono una miriade di variazioni di densità nella crosta terrestre e al di sotto, non è abbastanza buono per rilevare molte importanti formazioni geologiche come i serbatoi di fluidi e così via.

Oggi, Ruxandra Bondarescu dell'Università di Zurigo in Svizzera, alcuni amici dicono che c'è un modo migliore per farlo, o almeno, ci sarà presto, basato sugli orologi atomici.

Secondo la relatività generale, gli orologi a distanze diverse da un corpo massiccio dovrebbero ticchettare a velocità diverse; più si avvicina più lentamente. Ma la differenza è minuscola, molto più piccola di quanto sia stato possibile misurare in dettaglio. Fino a poco tempo fa.

Nel 2010, i fisici hanno utilizzato questa idea per misurare un cambiamento di altezza di 33 cm tra due orologi collegati tramite fibra ottica. Questo è più il dettaglio sufficiente per avere una buona idea della forma del geoide.

L'idea, dicono Bondarescu e co, è di posizionare un orologio al livello del mare, dove si trova esattamente all'altezza del geoide. Il secondo orologio viene portato in un punto dell'entroterra, dove viene sincronizzato con il primo tramite una fibra.

Il secondo orologio funzionerà quindi più velocemente o più lentamente, a seconda che si trovi sopra o sotto il geoide. La variazione della frequenza di clock rivela esattamente quanto più alto è il secondo clock al di sopra o al di sotto del geoide.

Il vantaggio rispetto ai metodi satellitari è in primo luogo che è molto più accurato e in secondo luogo che si tratta di una misurazione diretta del geoide in quella posizione, piuttosto che indiretta che deve essere elaborata ampiamente prima di produrre una risposta.

Ci sono degli svantaggi, ovviamente. Il più significativo è che gli orologi atomici con la precisione richiesta sono disponibili solo in laboratorio. Questo è destinato a cambiare nei prossimi anni. Vari gruppi stanno costruendo orologi portatili con una precisione senza precedenti.

Ad esempio, l'Agenzia spaziale europea sta lavorando a un orologio con una precisione di una parte su 10^18 progettato per funzionare nello spazio. L'obiettivo è testare il principio di equivalenza (se la missione è finanziata).

Bondarescu e colleghi affermano che questo tipo di sensibilità farà rivivere tutti i tipi di dettagli del sottosuolo. In un esempio numerico, mostrano che i migliori orologi di oggi dovrebbero essere in grado di rilevare la perturbazione del geoide causata da una sfera del raggio di 1,5 km con un'anomalia di densità del 20% sepolta a una profondità di 2 km nella crosta terrestre.

La misurazione del geoide con gli orologi atomici non è ovviamente un'idea nuova. Le persone hanno discusso della possibilità per vent'anni. Lo scopo di questo articolo di Bondarescu e co è quello di evidenziare il fatto che gli orologi atomici sufficientemente precisi per svolgere il lavoro sono ora visti nella loro capacità e saranno presto in circolazione.

Quando ciò accadrà, avremo la capacità di mappare il geoide e le strutture del sottosuolo che lo determinano con una precisione senza precedenti.

Rif: arxiv.org/abs/1209.2889 : Applicabilità geofisica degli orologi atomici: mappatura geoide continentale diretta

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