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ERDE
Schwerefeldmessung mit portabler Atomuhr
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Physikalisch-Technische Bundesanstalt
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14. Februar 2018

Lange Zeit waren die genausten Uhren der Welt riesige Apparaturen, die fest in einem Institut installiert waren. In Braunschweig hat man nun eine transportable optische Atomuhr entwickelt und mit ihrer Hilfe erfolgreich das Gravitationspotential der Erde gemessen. Die Wissenschaftler fuhren die Uhr dazu in einen Tunnel unter den Alpen.

Uhr

Blick ins Innere des Anhängers mit der transportablen optischen Strontiumuhr der PTB. Bild: PTB [Großansicht]

In einer europäischen Forschungskooperation, an der Uhrenexperten des englischen National Physical Laboratory (NPL), des italienischen Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) beteiligt waren, wurde die transportable optische Strontiumuhr der PTB genutzt, um das Gravitationspotential der Erde zu messen.

Optische Atomuhren sind hochkomplizierte Apparaturen und waren daher bis vor Kurzem nur in den Laboren einiger großer Forschungsinstitute zu finden. Die transportable optische Strontiumuhr der PTB eröffnet jetzt erstmals die Möglichkeit, Messungen auch "im Feld" vorzunehmen. Für die internationale Messkampagne wurde die Uhr in ihrem schwingungsgedämpften und temperaturstabilisierten PKW-Anhänger ins französische Modane Underground Laboratory (LSM) gefahren. Das interdisziplinäre Laboratorium wird betrieben vom Centre National de la Recherche Scientifique und der Universität Grenoble Alpes. Es liegt in der Mitte des Fréjus-Tunnels zwischen Frankreich und Italien.

Dort maß das Team die Differenz der Gravitationspotentiale zwischen dem exakten Standort der Uhr im Inneren des Berges und einer zweiten Uhr im INRIM im 90 Kilometer entfernten Turin – mit einer Höhendifferenz von rund 1000 Metern. Der genaue Uhrenvergleich wurde möglich durch eine 150 Kilometer lange Glasfaserverbindung des INRIM und einen Frequenzkamm des NPL, der Uhr und Faserverbindung verknüpft. Wissenschaftler der Universität Hannover bestimmten dieselbe Differenz im Gravitationspotential mit konventionellen geodätischen Messmethoden. Die Ergebnisse beider Messungen waren konsistent.

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Genauigkeitsverbesserungen bei der transportablen optischen Uhr vorausgesetzt, hat diese Methode das Potential, Höhenunterschiede auf der Erdoberfläche von nur wenigen Zentimetern bestimmen zu können. Eine optische Uhr hat den Vorteil, an bestimmten Punkten auf der Erde zu messen, während bei Satellitenmessungen wie GRACE oder GOCE das durchschnittliche Gravitationspotential der Erde in Größenordnungen von etwa 100 Kilometern gemittelt wird. Außerdem ist bei den Uhrenmessungen die Messunsicherheit nahezu unabhängig vom Abstand zwischen den beiden Uhren; bei traditionellen geodätischen Verfahren dagegen akkumulieren sich Messfehler mit zunehmender Entfernung.

Die neue Methode könnte feinere Messungen des Gravitationspotentials der Erde ermöglichen. Damit wären Wissenschaftler in der Lage, Veränderungen des Meeresspiegels und der Ozeanströmungen mit bisher unerreichter Genauigkeit zu überwachen. Und sie wird zu besser übereinstimmenden nationalen Höhenreferenzsystemen führen.

Um die Erdoberfläche zu messen, werden in verschiedenen Ländern zwar dieselben Methoden angewandt – jedoch mit Bezug auf unterschiedliche Höhenreferenzen. Das hat bereits zu Problemen geführt, etwa beim Bau der Hochrheinbrücke zwischen Deutschland und der Schweiz. Für ihre Konstruktion nutzten die beiden Länder unterschiedliche Berechnungen des Meeresspiegels – und am Ende waren die beiden Brückenteile um 54 Zentimeter unterschiedlich hoch, weil die bekannte Differenz mit falschem Vorzeichen ausgeglichen wurde.

Wenn es gelingt, die verschiedenen Höhensysteme international zu vereinheitlichen, können solche Probleme bei Ingenieurs- und Konstruktionsprojekten besser vermieden werden. Verbesserte Messungen des Gravitationspotentials können außerdem helfen, geodynamische Effekte aufgrund von Massenveränderungen unter der Erdoberfläche besser zu verstehen.

Die neue Höhenmessmethode wird außerdem helfen, Veränderungen des Meeresspiegels in Echtzeit zu überwachen. Damit wird man besser unterscheiden können, ob Bewegungen von Eismassen und allgemeine Massenveränderungen des Ozeanwassers auf saisonale Schwankungen oder auf langfristige Trends zurückzuführen sind. Solche Daten können für die Modelle sehr wichtig sein, mit deren Hilfe man versucht, den globalen Klimawandel besser zu verstehen und Veränderungen vorherzusagen.

Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature Physics erschienen ist.

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siehe auch
Zeitmessung: Atomuhr mit noch höherer Genauigkeit - 15. Februar 2016
Zeitmessung: Vier Atomuhren für die Weltzeit - 30. Dezember 2009
QUEST: Die genauste Atomuhr der Welt - 29. Mai 2009
Links im WWW
Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB)
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