Ein neuer Weg der Erdvermessung mit Atomuhren

An einem völlig neuen Standard der Erdvermessung mit einer hohen Genauigkeit arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover zusammen mit nationalen und internationalen Experten.

Diese geodätischen Bezugssysteme könnten zukünftig einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, etwa den Klimawandel zu quantifizieren und zu modellieren: Wie wird Grönland in 20 Jahren aussehen? Wie werden unsere Küsten beschaffen sein? Wie verhalten sich die Alpen?

„Das Fernziel ist die Entwicklung von kontinentalen und globalen Höhensystemen mindestens auf den Zentimeter genau“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Jakob Flury vom Institut für Erdmessung. Er leitete gemeinsam mit Gérard Petit vom Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) eine Arbeitsgruppe „Relativistische Geodäsie: erste Schritte für ein neues geodätisches Verfahren“ innerhalb der Internationalen Assoziation für Geodäsie (IAG).

Die Ergebnisse der Gruppe wurden vor einiger Zeit in Montreal vorgestellt und in einem viel beachteten Artikel in der Eos, einem Magazin der American Geophysical Union, veröffentlicht https://eos.org/features/einstein-says-its-309-7-meter-oclock.

Ziel der Arbeitsgruppe ist es – vereinfacht gesagt –, mit der Zeit die Höhe zu messen. Ultrapräzise Atomuhren sollen dazu genutzt werden, ein besseres Höhenbezugssystem für die Erdvermessung zu entwickeln. Der Einfluss des Erdschwerefeldes auf die Zeit kann von heutigen Atomuhren extrem genau gemessen werden.

So können perspektivisch die Inhomogenitäten von Höhensystemen überwunden werden, die bei konventionellen geodätischen Methoden zwangsläufig entstehen. „Die ersten Schritte sind sehr faszinierend und vielversprechend“, sagt Jakob Flury, „aber wir werden noch eine Weile brauchen, bis das der Standard der neuen Erdvermessung ist.“

Grundlage der Messungen mit Atomuhren ist Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie: Uhren, die näher am Erdmittelpunkt sind, ticken etwas langsamer als Uhren, die weiter davon entfernt sind. Daraus resultierend lassen sich die Höhenunterschiede ermitteln.

Zentrales Thema der Arbeitsgruppe ist die Übertragung und der Vergleich der Signale von Atomuhren, die an unterschiedlichen Standorten stehen. Dafür wurden unter anderem die Signale von Atomuhren in Braunschweig (PTB) und Paris (Observatoire de Paris) untersucht.

Diese Uhren, die zu den genauesten weltweit gehören, sind über eine 1400 Kilometer lange Glasfaser verbunden. In Straßburg werden die Signale miteinander verglichen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beschäftigen sich mit der Frage, wie man von den ersten Versuchen zu einem kontinentalen Netzwerk kommen kann.

Für die Etablierung eines weltweit einheitlichen Höhenreferenzsystems könnte die Methode ganz neue Möglichkeiten eröffnen. Durch Unterschiede im Höhenniveau des Meeresspiegels, der als Referenz für Normalnull dient, hat heute jedes Land in der Regel sein eigenes Höhensystem. Ein Pegel am Mittelmeer ist zum Beispiel ein anderer als ein Pegel an der Nordsee.

So entstehen von Land zu Land Höhenunterschiede teilweise von bis zu 50 Zentimetern, je nachdem, welchen Standort das Land als Bezugspegel festgelegt hat – ungünstig nicht nur für internationale Bauprojekte, sondern auch für die Erfassung von großräumigen Höhenänderungen. Durch die Anbindung an atomare Standards könnten die Grenzen der derzeitigen geodätischen Methoden weit überwunden werden.

Hinweis an die Redaktion:
Für weitere Informationen steht Ihnen Prof. Dr.-Ing. Jakob Flury, Institut für Erdmessung der Fakultät für Bauingenieurwesen und Geodäsie, unter Telefon +49 511 762 5697 oder 762 4905 beziehungsweise per E-Mail unter flury@ife.uni-hannover.de gern zur Verfügung.