TUM misst Veränderung der Erdrotation erstmals tagesaktuell

Forschenden der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, die Rotation der Erde noch genauer zu messen. Mithilfe des Ringlasers am Geodätischen Observatorium in Wettzell lassen sich nun Daten erheben, die in ihrer Qualität weltweit einmalig sind. Die Messungen sollen neben der Positionsbestimmung der Erde im Weltall auch der Klimaforschung zugutekommen und Klimamodelle zuverlässiger machen. In die Entwicklung der Messanlage sind annähernd 20 Jahre an Forschungsarbeit geflossen.

Mal eben in den Keller gehen und nachsehen, wie schnell sich die Erde in den letzten Stunden gedreht hat? Am Geodätischen Observatorium Wettzell ist das nun möglich. Forschende der TUM haben den dortigen Ringlaser so verbessert, dass er tagesaktuelle Daten liefert – bislang war das in vergleichbarer Datenqualität nicht möglich.

Aber was misst der Ringlaser genau? Die Erde dreht sich auf ihrer Reise durch das Weltall nicht gleichmäßig schnell um die eigene Achse. Zudem ist die Drehachse des Planeten nicht fest, sondern kippt ein wenig. Das liegt daran, dass unser Planet nicht massiv ist, sondern aus unterschiedlichen, teils flüssigen, Bestandteilen besteht. Die Erde ist also in sich ständig in Bewegung. Diese Massenverschiebungen beschleunigen oder bremsen die Rotation. Diese Unterschiede lassen sich mit Messsystemen, wie dem Ringlaser der TUM, messen.

„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“, sagt Prof. Ulrich Schreiber, der das Projekt am Observatorium für die TUM geleitet hat.

Sensoren und Korrekturalgorithmus überarbeitet

Bei der Überarbeitung des Ringlasers, war dem Team wichtig, eine gute Balance zwischen Größe und mechanischer Stabilität zu finden. Je größer eine Anlage nämlich ist, desto empfindlicher kann sie messen. Allerdings leidet darunter die Stabilität und damit die Genauigkeit.

Eine weitere Herausforderung stellte die Symmetrie der beiden gegenläufigen Laserstrahlen dar – des Herzstücks der Anlage in Wettzell. Nur wenn die Wellenformen beider Strahlen nahezu identisch sind, kann eine genaue Messung stattfinden. Allerdings ist eine gewisse Asymmetrie bauartbedingt immer vorhanden. Durch ein theoretisches Modell für die Laseroszilllationen, ist es den Geodäten über die letzten vier Jahre hinweg gelungen, diese systematischen Effekte so weit zu erfassen, dass sie sich über einen langen Zeitraum genau berechnen lassen und so aus den Messungen herausgenommen werden können.

Anlage misst deutlich genauer

Durch diesen neuen Korrekturalgorithmus kann die Anlage die Erdrotation bis auf neun Stellen genau messen. Das entspricht einem Bruchteil von einer Millisekunde pro Tag. Bezogen auf die Laserstrahlen entspricht das einer Unsicherheit erst an der 20. Stelle der Lichtfrequenz und das stabil über mehrere Monate hinweg. Insgesamt erreichte das auf und ab der beobachteten Schwankungen Werte von bis zu 6 Millisekunden über Zeiträume von ca. 2 Wochen hinweg.

Mit den Verbesserungen am Laser sind jetzt auch deutlich kürzere Messperioden möglich. Die neu entwickelten Korrekturprogramme erlauben dem Team sogar, alle drei Stunden aktuelle Daten zu erfassen. Urs Hugentobler, Professor für Satellitengeodäsie an der TUM sagt: „Eine so hohe zeitliche Auflösung ist für einen eigenständigen Ringlaser in den Geowissenschaften ein Novum. Anders als bei anderen Systemen, agiert unser Laser völlig eigenständig und benötigt keine Referenzpunkte im Weltall. Diese werden bei konventionellen Anlagen über die Beobachtung der Sterne oder Daten von Satelliten erzeugt. Wir sind davon aber unabhängig und zudem auch noch äußerst präzise.“ Unabhängig von der Sternenbeobachtung gemessene Daten können helfen, systematische Fehler aus anderen Messmethoden zu identifizieren und auszugleichen. Vor allem bei hohen Genauigkeitsanforderungen, wie beim Ringlaser, helfen unterschiedliche Verfahren hier besonders akribisch zu arbeiten. Für die Zukunft stehen weitere Verbesserungen der Anlage an, um die Messperioden nochmals zu verkürzen.

Ringlaser messen Interferenzen zweier Laserstrahlen

Ringlaser bestehen aus einem geschlossenen, quadratischen Pfad der aus vier Spiegeln in einem festumschlossenen Cerankörper, dem sogenannten Resonator, besteht und somit seine Länge nicht durch Temperaturschwankungen ändert. Ein Gemisch aus Helium und Neon im Innern des Resonators ermöglicht die Anregung von Laserstrahlung, einmal im Uhrzeigersinn und einmal gegen den Uhrzeigersinn.

Jetzt kommt das entscheidende Element ins Spiel: Ohne eine Bewegung der Erde würde das Licht in beiden Richtungen die gleiche Strecke zurücklegen. Durch die Drehung der Apparatur ist die Strecke für einen Lichtstrahl kürzer, weil sich die Spiegel durch die Erdrotation gewissermaßen auf ihn zu bewegen. In die entgegengesetzte Richtung legt das Licht dagegen eine längere Strecke zurück. Zwischen den beiden Lichtwellen gibt es einen Frequenzunterschied. Dieser Unterschied verursacht eine Schwebungsfrequenz, die sehr genau gemessen werden kann. Je größer die Drehgeschwindigkeit der Erde ist, desto größer ist der Frequenzunterschied. Die Erde dreht sich am Äquator pro Stunde um 15 Grad nach Osten. Dies verursacht am Gerät der TUM ein Signal von 348,5 Hz. Tageslängenschwankungen zeigen sich mit Werten von 1 bis 3 Millionstel Hz (1 - 3 MikroHertz).

Der Ringlaser im Keller des Observatoriums in Wettzell hat je eine Seitenlänge von vier Metern. Die Konstruktion ist in einem massiven Betonpfeiler verankert, der wiederum in rund sechs Metern Tiefe auf massivem Fels der Erdkruste gegründet ist. Das sorgt dafür, dass ausschließlich die Erdrotation auf die Laserstrahlen wirkt und keine anderen Umwelteinflüsse eine Rolle spielen. Geschützt wird die Konstruktion durch eine Druckkabine. Sie registriert Änderungen des Luftdrucks und der Standardtemperatur von 12 Grad und steuert automatisch gegen. Um solche Einflüsse von vornherein gering zu halten, liegt das Labor in fünf Metern Tiefe unter einem künstlichen Hügel. In die Entwicklung der Messanlage sind annähernd 20 Jahre an Forschungsarbeit geflossen.

Publikation:

Schreiber, K.U., Kodet, J., Hugentobler, U. et al. Variations in the Earth’s rotation rate measured with a ring laser interferometer. Nat. Photon. (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-023-01286-x

Weitere Informationen: www.tum.de