Messmethode Präzise durch den Weltraum eiern

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Forschende der TU München und der Uni Bonn haben eine weltweit einmalige Messmethode entwickelt, um Schwankungen der Erdachse zu vermessen. Dazu nutzen sie ein einziges Gerät statt mehrerer Teleskope rund um die Erde.

Wenn die Erde sich durch das Weltall bewegt, eiert sie dabei ein klein wenig. Einem Team von Forschenden der Technischen Universität München (TUM) und der Uni Bonn ist es nun gelungen, diese Schwankungen der Erdachse mit einer völlig neuen Methode zu vermessen - bislang war das nur durch aufwändige Radioastronomie möglich. Das Team nutzte dafür den hochpräzisen Ringlaser des geodätischen Observatoriums der TUM im oberpfälzischen Wettzell.

Die Ergebnisse des 250 Tage dauernden Versuchs erschienen im renommierten Wissenschaftsmagazin Science Advances. Erstautor Prof. K. Ulrich Schreiber vom Ingenieurinstitut für Astronomische und Physikalische Geodäsie der TUM betont: „Uns ist damit ein großer Fortschritt in der Vermessung der Erde gelungen. Was unser Ringlaser kann, ist weltweit einzigartig. Wir sind 100-mal genauer, als es bislang mit Gyroskopen oder anderen Ringlasern möglich war. Die exakte Messung der Schwankungen hilft dem Verständnis und der präzisen Modellierung des Systems Erde.“

Warum die Erde eiert

In der Realität ist die Erdachse nicht, wie bei einem Globus, fest am Himmel verankert. Auf sie wirken verschiedene Kräfte ein, die sie in unterschiedlichem Ausmaß schwanken lassen. Am stärksten ist der Einfluss durch die nicht exakt runde Form der Erde; sie ist am Äquator etwas dicker als an den Polen. Der Präzession genannte Effekt sorgt dafür, dass die Verlängerung der Erdachse am Himmel einen Kreis beschreibt. Derzeit ist sie genau auf den Polarstern ausgerichtet. Doch in Zukunft werden es andere Sterne sein, bevor sie in einem Rhythmus von 26.000 Jahren dann wieder zum Polarstern zurückkehrt.

Aber auch die sich manchmal gegenseitig verstärkenden oder abschwächenden Gravitationskräfte von Sonne und Mond zerren an der Erdachse. Dieser Nutation genannte Effekt sorgt für kleinere Wellenbewegungen des Präzessionskreises der Erdachse. Es gibt eine deutliche Nutation mit einer Periode von 18,6 Jahren, aber auch viele kleinere, mit Wochen- oder Tagesschwankungen. Deswegen eiert die Achse nicht gleichmäßig, sondern mal mehr oder weniger stark.

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Ringlaser mit bisher ungekannter Präzision

All diese Effekte konnte der Ringlaser nun mit für Inertialsensoren – also Sensoren die unabhängig von externen Signalen arbeiten – bislang ungekannter Genauigkeit direkt und kontinuierlich über 250 Tage hinweg messen.

Anders als bislang ist dafür kein Verbund von mehreren großen Radioteleskopen (VLBI) auf verschiedenen Kontinenten nötig. Der Ringlaser kann all das allein in einem verhältnismäßig kleinen Instrument, das sich in Wettzell in einem Erdbunker befindet. Zudem beträgt die zeitliche Auflösung der Schwankungen weniger als eine Stunde statt einen Tag – und die Ergebnisse stehen sofort zur Verfügung statt erst nach Tagen oder Wochen wie beim VLBI.

Mit einer weiteren Steigerung der Messgenauigkeit und Stabilität des Ringlasers um den Faktor 10 in der Zukunft würde sogar die Messung der Raum-Zeit-Verzerrung durch die Erdrotation näher rücken – ein direkter Test der Relativitätstheorie. Damit ließe sich zum Beispiel der Lense-Thirring-Effekt, also das „Mitziehen“ des Raumes durch die Rotation der Erde, direkt an der Erdoberfläche überprüfen.

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