Neue Methode kann aufwändige Radioteleskop-Peilungen ersetzen Laser misst Schwankungen der Erdrotation - scinexx | Das Wissensmagazin
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Neue Methode kann aufwändige Radioteleskop-Peilungen ersetzen

Laser misst Schwankungen der Erdrotation

Erde und Mond © NASA

Die Erde dreht sich nicht ganz gleichmäßig um sich selbst, sondern taumelt leicht um ihre Achse. Diese winzigen Verschiebungen haben Forscher jetzt erstmals mit Hilfe eines Lasersystems genau bestimmt. Sechs Meter tief im Untergrund konstruierten sie dafür einen sogenannten Ringlaser – ein System, bei dem die winzigen Schwankungen der Erddrehung ringförmig laufende Laserstrahlen beeinflussen. Bisher sind noch weltweit 30 Radioteleskope nötig um die Erdrotation zu bestimmen. Sie peilen alle paar Tage ferne, feststehende Galaxienkerne an und berechnen aus den scheinbaren Verschiebungen ihrer Position die Erdrotation in einem aufwendigen Prozess.

Dank des Ringlasers könne man nun mal eben in den Keller gehen und nachschauen, wie schnell sich die Erde gerade dreht, erklärt Studienleiter Karl Ulrich Schreiber von der Technischen Universität München (TUM). Das erleichtere die Bestimmung dieses wichtigen Wertes sehr. Die Ergebnisse seines Teams sind jetzt im Fachmagazin „Physical Review Letters“ erschienen.

Rotationswert wichtig für Navigationssysteme

Die Schwankungen der Erdrotation müssen genau bekannt sein, damit Navigationssysteme genau genug arbeiten und Bahnen in der Raumfahrt berechnet werden können. „Einen Punkt für die GPS- Ortung zentimetergenau zu bestimmen, ist ein hochdynamischer Vorgang“, sagt Schreiber. Denn nahezu jeder Punkt an der Erdoberfläche ist mit der Erde in ständiger Bewegung.

Ringlaser des Geodätischen Observatoriums Wettzell; Anregung von zwei in entgegengesetzte Richtungen laufenden Laserstrahlen. © Carl Zeiss AG

Ringlaser bestimmt Schwankungen

In unseren Breiten bewegt sich beispielsweise jeder Punkt mit etwa 350 Metern pro Sekunde nach Osten. Durch Einflüsse der Gezeiten, der Sonne und des Windes, aber auch der Bewegung der Erde um die Sonne schwankt dieser Wert ganz leicht. Dabei überlagert sich ein 435 Tage dauerndes Taumeln mit einem jährlichen Schwanken.

Mit Hilfe ihres Ringlasers auf dem Gelände des Geodätischen Observatoriums Wettzell in Bayern konnten die Forscher nun beide Schwankungen erstmals im Labor genauso akkurat bestimmen wie die bisherigen Radioteleskopmessungen. Als nächstes Ziel wollen sie nun die Genauigkeit ihrer Konstruktion so erhöhen, dass sie noch genauer misst und sogar die Veränderungen innerhalb eines einzigen Tages registrieren kann.

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Quadratische Laserbahnen mit Spiegeln

Der Ringlaser besteht im Prinzip aus einer vier Mal vier Meter großen quadratischen Bahn mit Spiegeln in den Ecken. Zwei Laserstrahlen durchlaufen diese Bahnen in entgegengesetzter Richtung und bilden so zwei geschlossene Laserringe.

Weil sich die Erde und damit auch dieses Lasersystem dreht, beeinflusst dies auch die Laser: Der Laserstrahl in der Drehrichtung hat einen längeren Weg als der gegenläufige, denn diesem kommt sein Ziel quasi ein winziges Stück entgegen. Diese Unterschiede erzeugen eine leichte Verschiebung in der Wellenlänge der Laserstrahlen, die die Forscher messen. Aus dieser Differenz können sie dann die Drehgeschwindigkeit der Erde ermitteln.

Der Ringlaser des Geodätischen Observatoriums Wettzell ist in einem Labor in fünf Metern Tiefe in einem massiven Betonpfeiler verankert, der wiederum in rund sechs Metern Tiefe auf massiven Fels der Erdkruste gegründet ist. Nach oben und zur Seite hin ist das Labor isoliert mit Schichten aus Styrodur und Ton sowie einem vier Meter hohen Erdhügel. Der Zugang erfolgt durch einen 20 Meter langen Tunnel mit fünf Kühlraumtüren. Der Raum zur Datenerfassung ist mit einer Schleuse vom Laserraum getrennt. © T. Klügel / Geodaetisches Observatorium Wettzell

Unterirdisches Lasersystem

Weil schon kleinste Erschütterungen oder Veränderungen der Temperatur oder des Luftdrucks diese Messungen stören könnten, ist das gesamte Lasersystem in sechs Metern Tiefe in einer speziellen Druckkammer untergebracht. Sie steht auf purem Fels und ist nach oben hin mit dicken Schichten aus Styropor und Ton abgeschirmt. Die Wissenschaftler müssen durch einen 20 Meter langen Tunnel mit fünf Kühlraumtüren und einer Schleuse gehen, um zum Laser zu gelangen. (Physical Review Letters, 2011; doi: 10.1103/PhysRevLett.107.173904)

(Physical Review Letters / dapd, 22.12.2011 – NPO)

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