Дважды в день поверхность Земли поднимается и опускается: лаборатория обнаруживает едва уловимые колебания планеты

Дважды в день поверхность Земли слегка поднимается и опускается — явление, почти незаметное для человеческих органов чувств, но свидетельствующее о постоянном танце между нашей планетой, Луной и Солнцем. Это колебание, известное как земной прилив или твердый земной прилив, является прямым следствием тех же гравитационных сил, которые вызывают океанские приливы, но с гораздо более тонким воздействием на земную кору.

В то время как океаны заметно реагируют на лунное и солнечное притяжение, порождая приливы и отливы, которые мы все видим на пляжах и побережьях, литосфера, гораздо более жесткая, чем вода, деформируется всего на несколько миллиметров. Несмотря на эту тонкость, в мире есть места, где технологии настолько чувствительны, что могут не только обнаружить это невидимое колебание, но и скорректировать его последствия в реальном времени.

Одно из таких мест — Передовой источник фотонов (Advanced Photon Source, APS), передовой научный объект, расположенный в Аргоннской национальной лаборатории в США. Там группе физиков под руководством Луиса Эмери удалось точно зафиксировать миллиметровое воздействие земных приливов на ускоритель частиц центра — сложное кольцо диаметром более километра, через которое электроны проносятся почти со скоростью света.

Крошечный эффект с реальными последствиями

Когда на Землю действуют приливные силы, земная кора слегка растягивается и сжимается, а это значит, что построенные на ней сооружения — здания, деревья или само кольцо APS - тоже сдвигаются, пусть и почти незаметно. По словам Эмери, колебания диаметра кольца могут достигать 30 микрон — примерно как толщина человеческого волоса.

Однако это небольшое колебание имеет последствия в рамках APS. Электронный пучок, который циркулирует в вакуумной камере, не подвержен физическим движениям кольца. Когда кольцо меняет форму, траектория пучка не меняется автоматически, что приводит к несоответствию, которое необходимо корректировать, чтобы обеспечить стабильность эксперимента.

Чтобы держать траекторию пучка под контролем, в APS используется 500 датчиков положения, которые обнаруживают отклонения с микронной точностью. Благодаря сложной системе обратной связи эти датчики позволяют непрерывно корректировать траекторию электронов.

Важнейшим компонентом системы являются радиочастотные резонаторы, распределенные по кольцу. Эти полости подают энергию на пучок при каждом его прохождении, компенсируя естественные потери энергии и синхронизируя его маршрут с периметром кольца. Однако если кольцо изменяет длину из-за приливов и отливов, а частота не отрегулирована, луч вынужден изменять свой путь оригинальным способом: он вносит небольшие колебания, чтобы поддерживать постоянное время оборота.

Когда луч меняет свою орбиту, это влияет на все остальное, объясняет Эмери. Система разработана таким образом, чтобы обнаруживать эти изменения и автоматически корректировать их каждую секунду. Такая синхронизация позволяет генерируемым рентгеновским лучам, используемым учеными по всему миру, сохранять постоянное и надежное качество.

Неожиданное открытие

Более двух десятилетий назад, занимаясь поиском сейсмических сигналов в данных APS, Эмери наткнулся на неожиданную закономерность: каждые 12 часов система производила систематическую корректировку луча. Как только я увидел это, я подумал о приливах и отливах, вспоминает он. С тех пор он продолжает отслеживать этот эффект, который считает «увлекательной диковинкой» и свидетельством уровня точности, достигнутого установкой.

Помимо земных приливов, система также регистрирует волны сжатия, вызванные землетрясениями в любой точке планеты. Именно так Эмери первоначально определил землетрясение, которое он искал в своих данных.

Хотя сам по себе твердый прилив не оказывает существенного влияния на работу APS, его обнаружение и устранение свидетельствует о чувствительности системы. По словам Эмери, даже выравнивания между Солнцем и Луной — например, в новолуние или полнолуние — вызывают более заметные эффекты, требующие от системы большей корректировки. Существуют также сезонные колебания: например, зимой окружность кольца может уменьшиться примерно на миллиметр — крошечное, но значимое изменение.

Эти природные явления, встроенные в работу ускорителя, демонстрируют, как даже малейшие движения планеты можно измерить, смоделировать и скорректировать. APS (Усовершенствованный источник фотонов) — это не просто научный объект, а своего рода миниатюрный планетарный сенсор, способный с высокой точностью фиксировать «гравитационные вздохи» Земли.