آزمـایـش لیـزر Laser experiment

توضیحات کلی
گروه زمین تخت پارسی در نظر دارد آزمایش لیزر، برای اندازه گیری وجود انحنای زمین را به انجام برساند. این آزمایش Terrestrial Laser Targeting یا به اختصار TLT (هدف گیری لیزری زمینی) گفته می شود.
ژئوئید به عنوان نمای هموارتر زمین تعریف می شود و به عنوان سطحی توصیف می شود که توسط سطح دست نخورده دریا در نظر گرفته می شود. بنابراین سطح آب از سطح ژئوپتانسیل پیروی می‌کند و با این درک مشترک داریم که سطوح آب از انحنای زمین پیروی می کنند. سطح توپوگرافی با روش های مختلف نقشه برداری اندازه گیری می‌شود که همه بر اساس فرض مدل WGS84 است.
ژئوئید مدلی است از سطح زمین که براساس سطح متوسط آب اقیانوس‌ها می‌باشد نه براساس پوسته‌ى زمین. به عبارتى دیگر سطح ژئوئید سطحى است هم پتانسیل (نیروى یکسانى به آنها وارد مى‌شود) که به بهترین نحو بر سطح آب‌هاى آزاد منطبق است. البته این در حالتى است که عواملى چون سیل و جزر و مد شکل آن را تحت تاثیر قرار ندهند.
هدف کلی این تحقیق ارزیابی و مقایسه نتایج اندازه‌گیری‌های TLT بر سطح دریاچه منجیل (بزرگترین دریاچه گیلان) با محاسبه انحنای زمین برای تعیین شکل سطح دریاچه است که در سه فاصله 8 و 9.5 کیلومتری انجام می شود؛ انتظار ما این هست که این آزمایش در محیط همگن به خوبی انجام شود.
هَمگِن یک ویژگی است که اندازه‌گیری آن در هر نقطه‌ای از فضا به نتیجه‌ای یکسان منجر شود. یعنی اگر یک آزمایش فیزیکی در نقطه خاصی از فضا اجرا شود، همان نتیجه‌ای را خواهد داشت که همان آزمایش را در چند نقطه یا چندمتر دورتر انجام داده باشند.
به عبارت دیگر، یک خاصیت (یا قانون) همگن با جابه‌جا شدن ما (یا با عوض کردن مبداء مختصات) تغییر نمی‌کند. به زبان فنی‌تر (به زبان نظریه گروه‌ها)، یک خاصیت همگن نسبت به گروه انتقال‌های فضایی تقارن دارد.
هدف از مجموعه آزمایشات این است که مشخص شود آیا دریاچه به دلیل انحنای زمین صاف و مسطح است یا محدب. در حالی که طبق فرضیه کرویت به دلیل شکل زمین، همه آب‌ها محدب هستند.
معمولاً جزر و مد دریاچه ها نوسانی تا 10 سانتی متر (0.33 فوت) در دریاچه های بزرگ دارد. در طول تحقیقات گسترده که از جنبش و حرکات آب در سال 1970 میلادی (1348 هجری شمسی) انجام شد، هیچ مدرکی از جزر و مد دریاچه یافت نشد.

[1] A. Zlinszky1,2, G. Timár3 , R. Weber1 , B. Székely3,4, C. Briese1,5, C. Ressl1 , and N. Pfeifer1 (20 1 4) Observation of a local gravity potential isosurface by airborne lidar of Lake Balaton, Hungary. https://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_228814.pdf

PubDat_228814

رفع شبهات
– همگرایی گرانشی
همگرایی گرانشی هنگامی روی می‌دهد که نور یک چشمهٔ درخشان بسیار دور در مسیرش تا رصدگر، از کنار جسم پرجرم دیگری بگذرد و مسیرش خمیده شود. جسم میانی عدسی گرانشی نامیده می‌شود. این پدیده یکی از پیش‌بینی‌های نظریهٔ نسبیت عام اینشتین است. براساس نسبیت عام، جرم می‌تواند فضازمان را خمیده کند و در نتیجه میدان گرانشی‌ای بسازد که می‌تواند نور را منحرف کند. این پدیده را نخستین بار آرتور ادینگتون در سال ۱۹۱۹ در جریان یک خورشیدگرفتگی آزمود که در آن نور ستاره‌ ای که از نزدیک خورشید می‌گذشت کمی خم شده و در نتیجه مکان ظاهری ستاره کمی جابه‌جا شد.

همگرایی گرانشی (Gravitational lens) یا خمش نور در فاصله ای که آزمایش ما انجام می شود (بین 8 الی 9.6 کیلومتر) در حدود نزدیک به صفر می باشد. (attached file: Light curvature.pdf)

Light curvature

– همدوسی
همدوسی یکی از ویژگی‌های فیزیکی امواج است. در فیزیک دو منبع موج کاملاً همدوس است اگر هر دو اختلاف فاز یکسان داشته باشند. این یک ویژگی ایده آل از امواج است که باعث تداخل ایستاده می شود. در این ویژگی توان موج‌ها برای تداخل در همدیگر اندازه‌گیری می‌شود.اگر نوری را که از یک چشمه خارج می‌شود، بطریقی به دو قسمت تقسیم کنیم و با هر یک از آنها یک چشمه جدید ایجاد کنیم، به اصطلاح دو چشمه ثانویه از یک چشمه اولیه ساخته می‌شود. هر نوع تغییر کاتوره‌ای (تصادفی) در فاز که در یکی از آنها ایجاد شود، در دیگری نیز عیناً تکرار می‌شود، ازاینرو فاز چشمه‌های ثانویه ثابت می‌مانند. دو چشمه را که به این ترتیب از یک چشمه اولیه مشتق شده‌اند و رابطه فاز ثابتی دارند، همدوس و امواج نوری حاصل از آنها را امواج همدوس می‌گویند.

همدوسی یعنی امواج الکترومغناطیس نور در یک خط بدون پراکندگی یا با کمترین پراکندگی باشند. یکی از بارزترین نمونه‌های امواج همدوس لیزر است. باریکه نور خارج شده از لیزر می‌تواند دارای خاصیت تقریباً همدوس کامل باشند. اما منابع نوری معمولی مانند لوله فلورسانس، لامپ الکتریکی تنگستن، خورشید همدوس نیستند. البته می‌توان از این منابع نیز نور همدوس ایجاد کرد. ولی شدت نور حاصل به اندازه‌ای ضعیف خواهد بود که زیاد مفید نخواهد بود. برای مقاصد علمی فقط نور لیزر است که می‌تواند باریکه نور همدوس و پرقدرتی ایجاد کند. این خواص که قبل از کشف لیزر قابل حصول بودند، لیزر را در رده کشفیات بسیار مهم فیزیک نوین قرار می‌دهد.
از آنجایی که نور به عنوان یک موج الکترومغناطیس در آب و هوای رقیق امکان تغییر مسیر را دارد لذا آزمایش در محیط کنترل شده و با رطوبت و دمای معتدل با توجه به توپوگرافی منطقه انجام می شود لذا باز هم نیاز به محاسبه همدوسی در آزمایش نیستیم اما باید لیزر با کمیت و کیفیت خوبی استفاده شود.
– مغناطیس آسمان
از آنجایی که در نزدیکی گنبد آسمانی نیروی مغناطیس وجود دارد که سبب آن ایجاد شفق قطبی می شود، برخی فرض می کنند که این میزان از مغناطیس باعث خمیدگی لیزر در سطح زمین می شود که کاملاً اشتباه است و اگر اینگونه بود تمام نورها و لیزر ها خمیده می بودند و فانوس های دریایی نیز باید با زاویه خاصی نور را منتظر کنند. تغییر زاویه لیزر تمام آزمایش را خراب خواهد کرد و اگر فرض بشه که با تغییر زاویه لیزر امکان تغییر محاسبه مغناطیس آسمان هست کاملاً اشتباه است زیرا که متودهای اندازه گیری های ما قابل اتکا و توسط چندین شخص تایید خواهد شد. الاایحال این مغناطیس تاثیری در حد صفر بر آزمایش دارند.
– پرسپکتیو
ژرفانمایی (به آن مناظر و مرایا نیز گفته می‌شود) یا پرسپکتیو در هنرهای گرافیکی، همچون نگارگری، نمایش نسبی یک تصویر به همان شکلی که توسط چشم دریافت می‌شود، بر روی یک سطح تخت (همچون کاغذ) است.

پرسپکتیو علمی است بر اساس قوانین و اصول هندسی که به وسیلهٔ آن دوری و نزدیکی اجسام را نشان می‌دهند. با رعایت این اصول در طراحی می‌توانیم تناسب واقعی اجسام در فواصل مختلف را به نحوی نشان دهیم که با تناسبات اصلی آن‌ها مشابهت داشته باشند.

در واقع برای نشان دادن فضای سه بعدی روی صفحهٔ دوبعدی معمولاً پرسپکتیو و قوانین آن را به کار می‌برند. این قوانین با استفاده از خطای دید به دست آمده و عمق کاذب و بعد مجازی ایجاد شده می‌تواند تصویری از فضای سه بعدی را بدهد. می‌توان گفت پرسپکتیو نگاهی است که معمولاً از جهان بیرون یعنی عالم محسوسات مادی آغاز می‌شود و سپس به درون‌نگری راه می‌برد.

پرسپکتیوها بسته به کاربردشان انواع مختلفی دارند. به‌طور کلی می‌توان پرسپکتیوها را به دو دستهٔ علمی و ترسیمی تقسیم کرد:

لذا در اگر زمین بصورت کُره باشد عملاً پرسپکتیو وجود ندارد و در فاصله آزمایشی که ما انجام می دهیم با استفاده از تلسکوپ و یا دوربین سوپرزوم می توان مبدا و مقصد را با یک ارتفاع یکسان از سطح آب مشاهده کرد.
– نور پلاریزه
نور پلاریزه مسطح نوری است که ارتعاشاتش فقط در یکی از سطوح ممکن صورت می پذیرد. چنانچه نور معمولی از داخل یک عدسی که از ماده ی شناخته شده‌ای به نام پلاروید ساخته شده یا از بین قطعات کلسیت که به منشور نیکول موسوم است عبور داده شود به نور پلاریزه تبدیل می شود. از آنجایی که لیزر یک نور پلاریزه شده می باشد در یک جهت و راستا حرکت می کند و خلاف نور های غیر قطبی که توسط بارهای الکتریکی ایجاد می شوند که در محیط پخش می شوند (نور لامپ اتاق، نور خورشید و …) می‌باشد و از آنجایی که لیزر یک نور قطبی می باشد پراکندگی آن بسیار اندک است و در فاصله آزمایش ما (8 الی 9.6 کیلومتر) این مورد نیاز به محاسبه میزان پراکندگی نور ندارد.
– پراکندگی یا از همگسستگی نور
پراکندگی نور لیزر ناشی از برخورد با مولکول‌های هوا و رطوبت (غلظت هوا)، در فواصل کوتاه خیلی ناچیز هست و میشه نادیده‌اش گرفت. اما در آزمایش ما که اولاً روی سطح آب و ثانیاً در چند کیلومتری صورت می گیره در طِی آزمایش محاسبه خواهد شد.
محاسبات پیش رو
1- پیدا کردن لیزر که توانایی لازم برای رسیدن از نقطه مبدا به نقطه مقصد را داشته باشد.
2- بررسی و اندازه گیری میزان رطوبت در طی مسیر لیزر.
3- محاسبه میزان انکسار نور در شرایط محیطی موجود.
4- تراز زمین
5- ارتفاع نقطه مبدا و نقطه مقصد از سطح دریا

ابزار مورد نیاز
1- لیزر پوینت (حتماً سبز رنگ)
2- رطوبت سنج
3- ارتفاع سنج الکترونیکی
4- دستگاه تراز بنایی

چرا نور سبز:

افراد مورد نیاز برای هماهنگی منطقه ای
1- ناظر بی طرف
2- یک نفر از اعضای نجوم برای محاسبه دقیق
3- بخش داری منطقه جهت حذف ترافیک رفت و آمد احتمالی
4- فیلم بردار و عکس بردار
توضیح محاسبات
1- استفاده از یک لیزر که هم قدرت بالا داشته باشد و هم طول مسافت زیادی را طی کند از مهمترین موارد می باشد، در فروشگاه ها لیزر های با قدرت یکسان اما مسافت و قطر های متفاوتی وجود دارد.
2- میزان رطوبت در میزان شکست نور بسیار اهمیت داره، تنها در یک صورت شکست نوری وجود ندارد و آن هم هوای خشک و یا رطوبت بسیار پایین می باشد.
3- اگر رطوبت بالا باشد یا دمای محیط به نحوی باشد که رطوبت زیاد شود مانند مه گرفتگی و بخار آب و … در این صورت میزان انکسار نور باید اندازه گرفته شود.
4- در نقطه مبدا و نقطه مقصد که از لیزر برای آزمایش استفاده می کنیم باید تراز زمین انجام شود و در سطح ناهموار خطای آزمایش بالا می رود.
5- یکی از موارد پراهمیت در آزمایش، ارتفاع نقطه مبداً و نقطه مقصد از سطح دریا می باشد که با استفاده از ارتفاع سنج باید به یک میزان باشد.
انجام آزمایش
1- با توجه به کرویت اشیاء در فاصله 8 کیلومتر = 2 متر زیر انحنا میرن

محاسبات 8 کیلومتر فاصله بر اساس مدل کروی انجام شود که شامل 2.35 متر ارتفاع مخفی می شود.

• ارتفاع ناظر یا لیزر 50cm از سطح زمین
• فاصله جسم 9.50 کیلومتر
• میزان انحنای زمین : 3.8 متر

• محاسبه گر فاصله و انحنا از دید ناظر

https://dizzib.github.io/earth/curve-calc

2- با توجه به کرویت اشیاء در فاصله  9.5 کیلومتر = 3.8 متر زیر انحنا میرن

محاسبات 9.5 کیلومتر فاصله بر اساس مدل کروی انجام شود که شامل 3.81 متر ارتفاع مخفی می شود.

• ارتفاع ناظر یا لیزر 50cm از سطح زمین
• فاصله جسم 9.50 کیلومتر
• میزان انحنای زمین : 3.8 متر

• محاسبه گر فاصله و انحنا از دید ناظر

https://dizzib.github.io/earth/curve-calc