Erdrotation: Ringlaser ermöglicht Vermessung

Daten für Navis wichtig - Schwankungen der Erdachse bestimmt

Versuchsanordnung: Schreiber am Wettzeller Ringlaser (Bild: Carl Zeiss AG)

München (pte022/21.12.2011/13:55) Erstmals ist es Forschern mit Labormessungen gelungen, die Schwankungen der Erdachse zu bestimmen. Das Team der TU München (TUM) http://www.tum.de hat dazu in einem Untergrundlabor den weltweit stabilsten Ringlaser konstruiert. An diesem Ringlaser können die Physiker das Verhalten und die Veränderungen der Erdrotation ablesen. Bisher konnte die Wissenschaft die Wanderungen der Polachse nur indirekt über die Richtung zu Fixpunkten im All bestimmen.

Vorhersagen für Raumfahrt

"Die hochgenaue Vermessung der Achse und Drehgeschwindigkeit der Erde ist nötig, damit Navigationssysteme einwandfrei funktionieren", sagt Karl Ulrich Schreiber, der in der Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie der TUM das Projekt geleitet hat, gegenüber pressetext. Die Erde schlingert, weil die Gravitation von Sonne und Mond auf sie wirkt. Gleichzeitig ändert sich auch die Position der Rotationsachse auf der Erde permanent.

Zum einen verursachen Ozeanbewegungen, Wind und Luftdruck eine Bewegung der Pole, die rund 435 Tage dauert. Zum anderen ändert sich die Position im Laufe eines Jahres, weil die Erde auf einer elliptischen Bahn um die Sonne rast. Diese Schwankungen genau zu erfassen, ist entscheidend für ein zuverlässiges Koordinatensystem. Die zuverlässige Berechenbarkeit präzisiert den Betrieb von Navigationssystemen sowie die Vorhersage von Bahnen in der Raumfahrt.

"Einen Punkt für die GPS-Ortung zentimetergenau zu bestimmen, ist ein hochdynamischer Vorgang - schließlich bewegen wir uns in unseren Breiten pro Sekunde um circa 350 Meter nach Osten", sagt Schreiber. Bislang sind weltweit 30 Radioteleskope im Einsatz, um die Lage der Achse im Raum und die Drehgeschwindigkeit der Erde in einem aufwendigen Prozess zu berechnen. Abwechselnd messen acht bis zwölf von ihnen jeden Montag und Donnerstag die Richtung zu bestimmten Quasaren.

Systematische Fehler ausschließen

Als Bezugspunkt nutzen die Wissenschaftler die Position von Galaxiekernen, die sich wahrscheinlich nicht ändern. Mit der neuen Methode wollen die TUM-Forscher systematische Fehler ausschließen. "Schließlich wäre es ja möglich, dass die angenommenen Fixpunkte gar keine sind", sagt Schreiber. Die Wissenschaftler hatten die Idee, zu diesem Zweck einen Ringlaser zu konstruieren. "Damals sind wir beinahe ausgelacht worden, weil dies kaum jemand für möglich hielt", erzählt Schreiber. Dabei gibt es den "kleinen Bruder" des Ringlasers bereits.

In Flugzeugen wird er zur Navigation verwendet. Passagiere sehen das kleine Flugzeug am Bildschirm, das die aktuelle Position visualisiert. Schon Ende der 90er Jahre ging auf dem Gelände des Wettzeller Observatoriums der heute weltweit stabilste Ringlaser in Bau. Zwei Lichtstrahlen durchlaufen in entgegengesetzten Richtungen eine quadratisch angeordnete Bahn mit Spiegeln in den Ecken, die in sich geschlossen ist. Dreht sich eine solche Apparatur, hat der Laserstrahl in der Drehrichtung einen längeren Weg als der gegenläufige.

Die Strahlen passen daraufhin ihre Wellenlänge an, die optische Frequenz ändert sich. Aus dieser Differenz kann man auf die Drehgeschwindigkeit schließen. In Wettzell dreht sich nicht der Ringlaser selbst, sondern nur die Erde. Die vier Mal vier Meter lange Konstruktion ist in einem massiven Betonpfeiler verankert, der wiederum in rund sechs Metern Tiefe auf massiven Fels der Erdkruste gegründet ist, damit ausschließlich die Erdrotation auf die Laserstrahlen wirkt.

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