Aufzeichnung der ersten täglichen Messungen der Rotationsverschiebungen der Erde

Forschern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, die Erdrotation genauer als je zuvor zu messen. Mit dem Ringlaser des Geodätischen Observatoriums Wettzell können nun Daten in einer weltweit einzigartigen Qualität erfasst werden. Die Messungen sollen dazu dienen, die Position der Erde im Weltraum zu bestimmen, der Klimaforschung zugute kommen und Klimamodelle zuverlässiger zu machen.

Möchten Sie einen kurzen Schritt in den Keller machen und sehen, wie schnell sich die Erde in den letzten Stunden gedreht hat? Jetzt können Sie am Geodätischen Observatorium Wettzell. TUM-Forscher haben dort den Ringlaser so verbessert, dass er tagesaktuelle Daten liefern kann, was bisher in vergleichbarer Qualität nicht möglich war.

Was genau misst der Ringlaser? Auf ihrer Reise durch den Weltraum dreht sich die Erde mit leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit um ihre Achse. Außerdem ist die Achse, um die sich der Planet dreht, nicht völlig statisch, sie wackelt ein wenig. Dies liegt daran, dass unser Planet nicht vollständig fest ist, sondern aus verschiedenen Bestandteilen besteht, von denen einige fest und andere flüssig sind. Das Innere der Erde selbst ist also ständig in Bewegung. Diese Massenverschiebungen beschleunigen oder bremsen die Rotation des Planeten, Unterschiede, die mit Messsystemen wie dem TUM-Ringlaser erfasst werden können.

„Rotationsschwankungen sind nicht nur für die Astronomie wichtig, wir brauchen sie auch dringend, um genaue Klimamodelle zu erstellen und Wetterphänomene wie El Niño besser zu verstehen. Und je präziser die Daten, desto genauer die Vorhersagen“, sagt Prof. Ulrich Schreiber , der das Projekt an der Sternwarte der TUM leitete.

Sensoren und Korrekturalgorithmus überarbeitet

Bei der Überarbeitung des Ringlasersystems legte das Team Wert darauf, ein gutes Gleichgewicht zwischen Größe und mechanischer Stabilität zu finden, denn je größer ein solches Gerät ist, desto empfindlicher sind die Messungen, die es durchführen kann. Allerdings bedeutet die Größe Kompromisse hinsichtlich der Stabilität und damit der Präzision.

Eine weitere Herausforderung war die Symmetrie der beiden entgegengesetzten Laserstrahlen, dem Herzstück des Wettzell-Systems. Die exakte Messung ist nur möglich, wenn die Wellenformen der beiden gegenläufigen Laserstrahlen nahezu identisch sind. Aufgrund des Designs des Geräts ist jedoch immer eine gewisse Asymmetrie vorhanden.

Geodäten ist es in den letzten vier Jahren mithilfe eines theoretischen Modells für Laseroszillationen gelungen, diese systematischen Effekte so weit zu erfassen, dass sie über einen langen Zeitraum genau berechnet und somit aus den Messungen eliminiert werden können.

Gerätemessungen sind deutlich präziser

Mit diesem neuen Korrekturalgorithmus kann das Gerät die Erdrotation bis auf neun Dezimalstellen genau messen, was einem Bruchteil einer Millisekunde pro Tag entspricht. Bezogen auf die Laserstrahlen entspricht das einer Unsicherheit, die bereits bei der 20. Dezimalstelle der Lichtfrequenz beginnt und über mehrere Monate stabil ist.

Insgesamt erreichten die beobachteten Auf- und Abschwankungen über etwa zwei Wochen Werte von bis zu 6 Millisekunden.

Durch die Verbesserungen des Lasers sind nun auch deutlich kürzere Messzeiten möglich. Die neu entwickelten Korrekturprogramme ermöglichen es dem Team, alle drei Stunden aktuelle Daten zu erfassen.

Urs Hugentobler, Professor für Satellitengeodäsie an der TUM, sagt: „In den Geowissenschaften sind so hohe Zeitauflösungen für eigenständige Ringlaser absolut neuartig. Im Gegensatz zu anderen Systemen funktioniert der Laser völlig unabhängig und benötigt keine Referenzpunkte im Raum.“ Bei herkömmlichen Systemen werden diese Referenzpunkte durch die Beobachtung der Sterne oder die Nutzung von Satellitendaten erstellt. Aber wir sind davon unabhängig und zudem äußerst präzise.“

Unabhängig von der Sternbeobachtung erfasste Daten können dabei helfen, systematische Fehler in anderen Messmethoden zu identifizieren und zu kompensieren. Gerade bei hohen Genauigkeitsanforderungen wie beim Ringlaser trägt der Einsatz verschiedener Methoden zu einer besonders sorgfältigen Arbeit bei. Für die Zukunft ist eine weitere Verbesserung des Systems geplant, die noch kürzere Messzeiten ermöglichen soll.

Ringlaser messen die Interferenz zwischen zwei Laserstrahlen

Ringlaser bestehen aus einem geschlossenen, quadratischen Strahlengang mit vier Spiegeln, die vollständig in einem bestimmten Körper, dem sogenannten Resonator, eingeschlossen sind. Dadurch wird verhindert, dass sich die Länge des Weges aufgrund von Temperaturschwankungen ändert. Ein Helium/Neon-Gasgemisch im Resonator ermöglicht die Laserstrahlanregung, einmal im Uhrzeigersinn und einmal gegen den Uhrzeigersinn.

Ohne die Bewegung der Erde würde das Licht in beide Richtungen die gleiche Strecke zurücklegen. Da sich das Gerät jedoch zusammen mit der Erde bewegt, ist die Entfernung für einen der Laserstrahlen kürzer, da die Spiegel durch die Erdrotation näher an den Strahl heranrücken. In der Gegenrichtung legt das Licht eine entsprechend längere Strecke zurück.

Durch diesen Effekt kommt es zu einem Frequenzunterschied der beiden Lichtwellen, der durch Überlagerung einen Schwebungston erzeugt, der sehr genau gemessen werden kann. Je höher die Geschwindigkeit ist, mit der sich die Erde dreht, desto größer ist der Unterschied zwischen den beiden optischen Frequenzen. Am Äquator dreht sich die Erde jede Stunde um 15 Grad nach Osten. Dadurch wird im TUM-Gerät ein Signal von 348,5 Hz erzeugt. Schwankungen in der Tageslänge äußern sich in Werten von 1 bis 3 Millionstel Hz (1–3 Mikrohertz).

Jede Seite des Ringlasers im Keller der Sternwarte Wettzell misst vier Meter. Diese Konstruktion wird dann an einer massiven Betonsäule verankert, die in etwa sechs Metern Tiefe auf dem festen Grundgestein der Erdkruste ruht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Erdrotation der einzige Faktor ist, der die Laserstrahlen beeinflusst, und andere Umweltfaktoren ausgeschlossen werden.

Die Konstruktion wird durch eine Druckkammer geschützt, die Änderungen des Luftdrucks oder der gewünschten Temperatur von 12 Grad Celsius ausgleicht und diese Änderungen automatisch ausgleicht. Um solche Einflussfaktoren zu minimieren, liegt das Labor in fünf Metern Tiefe unter einem künstlichen Hügel. In die Entwicklung des Messsystems sind fast 20 Jahre Forschung eingeflossen.

Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Naturphotonik.