Robert Klatt
Ein optimierter Ringlaser in Deutschland kann die Erdrotation mit zuvor nie erreichter Präzision und Schnelligkeit messen. Die Daten werden unter anderem in der Astronomie und für die Erstellung von Klimamodellen benötigt.
München (Deutschland). Die Erdrotation ist nicht konstant. Das Tempo und die Ausrichtung werden unter anderem durch Erdbeben, die Bewegungen von Ozeanen und Strömungen im Erdinneren beeinflusst. Es kommt dadurch zu Schwankungen in der Tageslänge, deren genaue Messung unter anderem für die Astronomie bedeutend ist. Laut Ulrich Schreiber von der Technischen Universität München (TU München) ist die Erdrotation werden genaue Daten zur Erdrotation aber auch in anderen Bereichen der Forschung benötigt.
„Rotationsschwankungen sind nicht nur für die Astronomie wichtig, wir brauchen sie auch dringend, um Klimamodelle zu erstellen oder Wetterphänomene wie El Niño besser zu verstehen – je genauer die Daten, desto besser die Vorhersagen.“
Die Rotation der Erde wird bislang primär mit astronomischen Methoden, etwa durch die Abgleichung der mit Referenzpunkten im Weltraum, gemessen. Die Kalibrierung erfordert aber möglichst aktuell und genaue Daten, die durch weitere Messmethoden auf der Erde erhoben werden.
Im Geodätischen Observatorium Wettzell in Bayern erfolgt eine dieser unabhängigen Messungen. Verwendet wird dazu ein Ringlaser, der sich in einer Druckkammer in fünf Metern Tiefe auf einem Felssockel befindet. Der Ringlaser verfügt über zwei Laser, die in entgegengesetzten Richtungen entlang eines Pfades mit einer Seitenlänge von vier Metern geführt werden.
Aufgrund der Rotation der Erde legt einer der Strahlen den Pfad in minimal kürzerer Zeit zurück als der andere. Dies führt zu einer geringfügigen Phasenverschiebung des Laserlichts aufgrund der leicht abweichenden Frequenzen der beiden Strahlen. Diese Phasenverschiebung ermöglicht es, die Rotationsgeschwindigkeit der Erde präzise zu bestimmen.
Forscher der TU München haben den Ringlaser kürzlich signifikant optimiert. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature Photonics ermöglicht dies Messungen der Erdrotation mit zuvor nicht erreichter Geschwindigkeit und Präzision. Möglich ist dies durch Verbesserungen am Laser und einen neuen Algorithmus zur Synchronisation der Laserstrahlen.
Um die Messung durchführen zu können, dürfen die Wellenformen der beiden Laser nicht komplett identisch sein. Die Geodäten haben durch ein optimiertes Modell der Laseroszillationen erreicht, dass der systematische Effekt präziser erfasst und berechnet werden kann. Dadurch können diese Effekte aus den Messdaten herausgerechnet werden.
Diese Verbesserungen und die korrigierenden Softwareanwendungen ermöglichen nun deutlich kürzere Messintervalle. Der Ringlaser ist in der Lage, alle drei Stunden aktuelle Daten zu liefern. GPS-Messungen und Teleskopverbünden können hingegen nur eine Messung täglich durchführen.
Laut den Wissenschaftler kann der optimierte Ringlaser deutlich präzisere Messungen durchführen als andere Instrumente.
„Wir haben die winzigen Schwankungen in der Rotationsrate der Erde bis auf ein Niveau von fünf Billionsteln gemessen.“
Wie Urs Hugentobler erklärt, ist der Urs Hugentobler in der Lage, die Erdrotation mit einer Präzision von neun Dezimalstellen zu erfassen, was einem Zeitraum von einem Bruchteil einer Millisekunde pro Tag entspricht. In Bezug auf die Frequenz der Laserstrahlen tritt eine Messunsicherheit erst jenseits der zwanzigsten Dezimalstelle auf.
„Eine so hohe zeitliche Auflösung ist für einen eigenständigen Ringlaser in den Geowissenschaften ein Novum.“
Der Ringlaser im Geodätischen Observatorium Wettzell leistet somit einen Beitrag zur genaueren Bestimmung der minimalen Schwankungen in der Erdrotation und der Tageslänge. Laut den Forschern ermöglichen die Messungen eine verbesserte Definition von geophysikalischen Modellen. Diese Modelle beschäftigen sich mit dem integrierten Effekt des globalen Massentransports, einschließlich der Veränderungen im globalen Wasserkreislauf, der Eisbedeckung und der Bewegungen der Luftmassen, und deren Auswirkungen auf die Rotation der Erde.
Nature Photonics, doi: 10.1038/s41566-023-01286-x
