Beispiellose tägliche Messungen zeichnen die Erdrotation auf

Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, die Erdrotation mit beispielloser Genauigkeit zu messen. Mit dem Ringlaser am Geodätischen Observatorium Wettzell können nun überall auf der Welt Daten in bisher unerreichter Qualität erfasst werden. Diese Messungen sind von entscheidender Bedeutung für die Bestimmung der Position der Erde im Weltraum, unterstützen die Klimaforschung und erhöhen die Zuverlässigkeit von Klimamodellen.

Fortschrittliche Ringlasertechnologie

Möchten Sie einen kurzen Schritt nach unten machen und sehen, wie schnell sich die Erde in den letzten Stunden gedreht hat? Ab sofort ist dies im Geodätischen Observatorium Wettzell möglich. TUM-Forscher haben dort den Ringlaser so verbessert, dass er tagesaktuelle Daten liefern kann, was in vergleichbarer Qualität bisher nicht möglich war.

Was genau misst ein Ringlaser? Auf ihrer Reise durch den Weltraum dreht sich die Erde mit leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit um ihre Achse. Außerdem ist die Achse, um die sich der Planet dreht, nicht vollständig fixiert, sie schwingt leicht. Dies liegt daran, dass unser Planet nicht vollständig fest ist, sondern aus verschiedenen Teilen besteht, von denen einige fest und andere flüssig sind. Das Erdinnere selbst ist also in ständiger Bewegung. Diese Massenverschiebungen beschleunigen oder verlangsamen die Rotation des Planeten, Unterschiede, die mit Messsystemen wie dem TUM-Ringlaser erfasst werden können.

Der Ringlaser von Wettzell wurde seit seiner Einführung kontinuierlich verbessert. Bildnachweis: Astrid Eckert/Tom

„Schwankungen der Zirkulation sind nicht nur für die Astronomie wichtig, wir brauchen sie auch dringend, um genaue Klimamodelle zu erstellen und Wetterphänomene wie El Niño besser zu verstehen. Je genauer die Daten, desto genauer werden die Daten“, sagt Professor Ulrich Schreiber , der das Projekt an der TUM-Sternwarte leitete. Die Genauigkeit der Vorhersagen ist gestiegen.

Technische Verbesserungen und Herausforderungen

Bei der Reparatur des Ringlasersystems legte das Team Wert darauf, ein gutes Gleichgewicht zwischen Größe und mechanischer Stabilität zu finden, denn je größer dieses Gerät ist, desto empfindlicher können die Messungen durchgeführt werden. Allerdings bedeutet die Größe Abstriche bei der Stabilität und damit Genauigkeit.

Eine weitere Herausforderung war die Symmetrie zwischen den beiden entgegengesetzten Laserstrahlen, die das Herzstück von Wetzels System darstellt. Eine genaue Messung kann nur durchgeführt werden, wenn die Wellenformen der beiden gegenläufigen Laserstrahlen nahezu identisch sind. Aufgrund des Designs des Geräts ist jedoch immer eine gewisse Asymmetrie vorhanden. In den letzten vier Jahren haben Geodäsiewissenschaftler mithilfe eines theoretischen Modells von Laseroszillationen diese systematischen Effekte erfolgreich so weit erfasst, dass sie über einen langen Zeitraum genau berechnet und somit aus Messungen eliminiert werden können.

Verbesserte Genauigkeit und Anwendungen

Mit diesem neuen Korrekturalgorithmus kann das Gerät die Erdrotation mit einer Genauigkeit von bis zu 9 Dezimalstellen messen, was einem Bruchteil einer Millisekunde pro Tag entspricht. Bei Lasern bedeutet dies eine Unsicherheit, die bereits bei der 20. Dezimalstelle der Lichtfrequenz beginnt und über mehrere Monate stabil bleibt. Im Allgemeinen erreichten die beobachteten Auf- und Ab-Schwankungen über einen Zeitraum von etwa 2 Wochen Werte von bis zu 6 ms.

Verbesserungen bei Lasern haben inzwischen dazu geführt, dass die Messintervalle deutlich kürzer sind. Eine neu entwickelte Patch-Software ermöglicht es dem Team, alle drei Stunden aktuelle Daten zu erfassen. „In den Geowissenschaften sind solch hohe Zeitauflösungen für autonome Ringlaser völlig neu“, sagt Urs Hugentobler, Professor für Satellitengeodäsie an der TUM. „Im Gegensatz zu anderen Systemen arbeitet der Laser völlig autonom und benötigt keine Referenzpunkte in.“ In herkömmlichen Systemen „werden diese Referenzpunkte durch die Beobachtung von Sternen oder die Nutzung von Satellitendaten erstellt. Aber wir sind davon unabhängig und auch sehr genau. Daten, die unabhängig von der Beobachtung von Sternen erfasst werden, können helfen, systematische Fehler in anderen Systemen zu identifizieren und zu kompensieren.“ Messmethoden.“ Der Einsatz verschiedener Methoden trägt dazu bei, die Arbeit besonders genau zu gestalten, insbesondere wenn Genauigkeit Die Anforderungen sind wie bei Ringlasern hoch. Weitere Verbesserungen des Systems sind geplant, die künftig kürzere Messzeiten ermöglichen.

Ringlaser verstehen

Ringlaser bestehen aus einem geschlossenen quadratischen Strahlengang mit vier Spiegeln, der vollständig von einem Glaskeramikkörper vom Ceran-Typ, einem sogenannten Resonator, umgeben ist. Dadurch wird verhindert, dass sich die Weglänge aufgrund von Temperaturschwankungen ändert. Durch das Helium-/Neon-Gasgemisch im Resonator können zwei Laserstrahlen angeregt werden, einer im Uhrzeigersinn und der andere gegen den Uhrzeigersinn.

Ohne die Bewegung der Erde würde Licht in beide Richtungen die gleiche Strecke zurücklegen. Da sich das Gerät jedoch mit der Erde bewegt, ist die Entfernung eines der Laserstrahlen kürzer, da die Spiegel durch die Erdrotation näher an den Strahl heranrücken. In der entgegengesetzten Richtung legt Licht eine ähnlich längere Strecke zurück. Durch diesen Effekt entsteht ein Frequenzunterschied der beiden Lichtwellen, durch dessen Überlagerung ein rhythmischer Ton entsteht, der sehr genau gemessen werden kann. Je schneller sich die Erde dreht, desto größer ist der Unterschied zwischen den beiden optischen Frequenzen. Am Äquator dreht sich die Erde stündlich um 15 Grad nach Osten. Dadurch entsteht im TUM ein 348,5-Hz-Signal. Schwankungen der Tageslänge liegen in der Größenordnung von 1 bis 3 Millionstel Hertz (1–3 MikroHz).

Robuste und genaue Infrastruktur

Jede Seite des Laserrings im Keller der Sternwarte Wettzell ist vier Meter lang. Diese Struktur wird dann auf einer stabilen Betonsäule installiert, die auf dem festen Untergrund der Erdkruste in etwa sechs Metern Tiefe ruht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Erdrotation der einzige Einflussfaktor auf die Laserstrahlen ist und andere Umweltfaktoren ausgeschlossen sind. Die Konstruktion wird durch eine Druckkammer geschützt, die Änderungen des Luftdrucks oder der erforderlichen Temperatur von 12 °C automatisch ausgleicht. Um diese Einflussfaktoren zu reduzieren, liegt das Labor fünf Meter tief unter einem künstlichen Hügel. Die Entwicklung des Messsystems erforderte fast 20 Jahre Forschungsarbeit.

Referenz: „Änderungen der Erdrotationsrate gemessen mit einem Ringlaserinterferometer“ von K. Ulrich Schreiber, Jan Coudet, Urs Hugentobler, Thomas Klügel und John Paul R. Wales, 18. September 2023, Naturphotonik.
doi: 10.1038/s41566-023-01286-x