Ein Meeresspiegel für alle

Die Höhen auf der Landkarte werden traditionell in Metern über dem Meer angegeben. Doch dieses ist nicht überall gleich hoch. Unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) haben Forschungsgruppen ein Internationales-Höhen-Referenz-System, IHRS, entwickelt, das geodätische Messungen überall auf der Welt vergleichbar macht.

Wie hoch ist der Mount Everest? 8848 Meter? 8844 Meter? Oder 8850 Meter? Lange konnten sich China und Nepal nicht einigen. 2019 bestieg ein nepalesisches Vermesser-Team den höchsten Berg der Welt, im Jahr darauf ein chinesisches. Im vergangenen Dezember gaben beide Regierungen gemeinsam das Ergebnis der Neuvermessung bekannt: 8848,86 Meter.

Dass sowohl China, als auch Nepal diesen Wert anerkennen, ist ein diplomatischer Erfolg. Möglich wurde dieser durch das Internationale-Höhen-Referenz-System, kurz IHRS, das die Geodätinnen und Geodäten für ihre Neuvermessung erstmals verwendet haben. An dessen Entwicklung waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TUM federführend beteiligt. Das neue Referenzsystem schafft eine allgemeingültige Höhe Null, auf die sich Vermessungen künftig beziehen können. Es ersetzt damit den traditionellen mittleren Meeresspiegel, der als Null-Niveau die Grundlage für Vermessungen und damit aller topographischen Karten war. Über die wissenschaftlichen Hintergründe, das theoretische Konzept des IHRS und die Strategie für dessen konkrete Umsetzung berichten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TUM gemeinsam mit internationalen Forschungsgruppen im Fachmagazin Journal of Geodesy.

Wenn Null nicht gleich Null ist

Der bisher verwendete mittlere Meeresspiegel hatte einen Geburtsfehler: Er war nie eine fixe Größe. Jedes Land konnte ihn mit Hilfe beliebiger Pegelmessstationen bestimmen und damit sein eigenes Nullniveau festlegen. So ist der offizielle Meeresspiegel in Deutschland 31 Zentimeter höher als in Italien, 50 Zentimeter höher als in Spanien und sogar 2,33 Meter höher als in Belgien, wo sich die Höhe Null auf den Niedrigwasserstand in Ostende bezieht.

Solche Unterschiede sind nicht weiter störend, wenn man topographische Karten nur zum Wandern verwendet. Eine größere Herausforderung sind die unterschiedlichen Nullniveaus für Geodätinnen und Geodäten, die – wie am Mount Everest, der zur Hälfte zu Nepal und zur anderen Hälfte zu China gehört – eine Höhe ermitteln sollen, die von allen anerkannt wird. Und richtig teuer kann es werden, wenn bei der Planung grenzüberschreitender Bauwerke wie Brücken oder Tunneln vergessen wird, die unterschiedlichen Koordinaten der Teams abzugleichen und gegebenenfalls umzurechnen. Bei der Hochrheinbrücke zwischen Deutschland und der Schweiz wurde ein solcher Fehler gerade noch rechtzeitig bemerkt und konnte in der Bauphase korrigiert werden.

Vermessung aus dem Orbit

„Die Einführung eines international gültigen Bezugssystems war längst überfällig“, erklärt die TUM-Forscherin Dr. Laura Sánchez vom Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut (DGFI-TUM), die seit mehreren Jahren die Arbeitsgruppen zu theoretischen Aspekten und zur Implementierung des neuen globalen Höhenreferenzsystems in der Internationalen Assoziation für Geodäsie leitet.  

Die Lösung liegt auf der Hand. Man braucht eine Nullhöhe, die für alle gilt. Im neuen Internationalen-Höhen-Referenz-System IHRS wird definiert, wie diese berechnet werden kann: Berücksichtigt wird dabei die Form der Erde – diese ähnelt zwar einer Kugel, ist aber durch ihre Rotation an den Polen abgeplattet und am Äquator leicht ausgebeult –, sowie die ungleichmäßige Verteilung der Massen im Erdinneren beziehungsweise an der Oberfläche. Die Unregelmäßigkeiten des Schwerefeldes, die durch diese Massenverteilung verursacht werden, sind die Grundlage für die Berechnung des Höhensystems, denn Stärke und Ausrichtung der Schwerkraft bestimmen die Verteilung des Wassers in den Ozeanen. Tut man nun so, als wäre die ganze Erdkugel von Wasser bedeckt, lässt sich die Höhe eines hypothetischen Meeresspiegels und damit die Höhe Null für den gesamten Globus exakt bestimmen.

Für Bauprojekte sind selbst kleinste Abweichungen entscheidend

„Erst die Verfügbarkeit von globalen Daten aus Satellitenmissionen wie dem ESA-Erdbeobachtungssatelliten GOCE – die Abkürzung steht für Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer – hat die Realisierung des IHRS ermöglicht“, sagt Prof. Roland Pail vom TUM-Lehrstuhl für Astronomische und Physikalische Geodäsie. Sein Team hat die GOCE-Messungen maßgeblich ausgewertet und daraus globale Modelle des Erdschwerefeldes berechnet. „Die so gewonnenen Informationenbilden die Grundlage, um mit dem neuen internationalen Höhen-Referenz-System für jeden Punkt der Erde, gleichgültig ob sich dieser auf einem Kontinent oder einem Ozean befindet, den Mittleren Meeresspiegel und damit das international gültige Nullniveau zu errechnen“, erklärt Sánchez.

Müssen jetzt alle Karten neu gezeichnet werden? „So dramatisch wird es wohl nicht werden“, beteuert Sánchez. „In den Industriestaaten, wo schon seit Jahrzehnten Schweremessungen durchgeführt wurden, sind die Abweichungen gering und liegen nur im Dezimeterbereich.“ Doch wenn es beispielsweise um Bauprojekte gehe, seien selbst kleine Abweichungen ein großes Ärgernis. Daher werde sich das neue Bezugssystem schnell durchsetzen, davon ist die Forscherin überzeugt.

Publikation:
Sánchez L., J. Ågren, J. Huang, Y. Ming Wang, J. Mäkinen, R. Pail, R. Barzaghi, G. Vergos, K. Ahlgren, Q. Liu: Strategy for the realisation of the International Height Reference System (IHRS). Journal of Geodesy, 95(33), doi: 10.1007/s00190-021-01481-0, 2021.

Mehr Informationen:

Das Deutsche Geodätische Forschungsinstitut der Technischen Universität München (DGFI-TUM) und der Lehrstuhl für Astronomische und Physikalische Geodäsie (APG) haben durch die Entwicklung wissenschaftlicher Methoden für die Realisierung physikalischer und geometrischer Referenzsysteme intensiv zum IHRS beigetragen. In der Internationalen Assoziation für Geodäsie (IAG) sind die beiden TUM-Einheiten an unterschiedlichen Schlüsselpositionen für die Erarbeitung und Implementierung des IHRS federführend. Speziell verfügt die TUM über starke Kompetenzen in der Bestimmung von Koordinaten durch Globale Navigations-Satellitensysteme (GNSS), der Kombination von Schwerefeldbeobachtungen zu hochgenauen Schwerefeldmodellen sowie in der Kombination von Schwerefeld- und GNSS-Daten zur Höhenbestimmung.