Erdrotation messen per Ringlaser

Bisher ließ sich die leicht schlingernde Bewegung der Erde nur mithilfe von Radioteleskopen durch Fixpunkte im Weltall  bestimmen. Ulrich Schreiber vom Geodätischen Observatorium Wettzell und seinen Kollegen gelang dies nun erstmals auch mit einem Ringlaser – im tiefsten Bayern. Für unseren Podcast sprach Martina Preiner mit dem Physiker. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

Stetig dreht sich die runde Erde um ihre eigene Achse. Obwohl, so ganz rund ist sie nicht. Und dadurch dreht sie sich auch nicht so ganz stetig. Eher wie ein Kreisel, der ins Schlingern gerät. Warum das so ist, erklärt Ulrich Schreiber vom Geodätischen Observatorium Wettzell.

Ulrich Schreiber

„Die Erde ist ein Körper, der durch die Zentrifugalkraft der eigenen Rotation am Äquator ein wenig ausbeult. Dadurch wird sie unsymmetrisch und das bedeutet, dass sie nicht sehr regelmäßig in ihrer Bewegung ist. Wenn man sich hochauflösende Messungen anschaut, sieht man auch Effekte durch Massenverlagerungen auf der Erde – verursacht durch Atmosphäre, Meeresströmung, aber auch Strömungseffekte im oberen Mantel.“

Jede Verschiebung im oberen Erdmantel, beispielsweise durch ein Erdbeben, verändert die Dreheigenschaften der Erde. Diese Änderungen messen zu können, ist grundlegend für jedes GPS-Gerät. Wenn die Abweichungen von der vermeintlich gleichmäßigen Erdrotation nicht berücksichtigt würden, wäre die Straßenkarte beim Autofahren vielleicht nach wie vor die bessere Wahl gegenüber dem Navigationssystem. Heutzutage berechnen GPS-Satelliten den genauen Standort eines Autos. Sie können aber nur den Erdmittelpunkt bestimmen, nicht die Erdbewegung. 

„Da muss man sich eines vor Augen halten: ‚Wie schnell bewegt sich eigentlich die Erde für uns?‘ Wir sehen in Deutschland ungefähr eine Bewegung von 350 Metern pro Sekunde in Richtung Osten, einfach aufgrund der Eigendrehgeschwindigkeit der Erde. Und das ist eine Größe, die bei der Positionierung mit dem GPS-System rechnerisch eingeht. Das bedeutet, dass wir auf der einen Seite die Lage der Rotationsachse im Raum und auf der anderen Seite die Drehgeschwindigkeit der Erde brauchen – und zwar exakt!“

Die Drehgeschwindigkeit können die GPS-Satelliten aber nicht alleine ermitteln. Sie benötigen zusätzliche Daten.

 „Es gibt einen Dienst, der mit Radioteleskopen – circa dreißig Radioteleskope gibt es für diesen Zweck weltweit – in einem Netz arbeitet und in dem mehrere Radioteleskope galaktische Quellen anpeilen. Aus diesen Richtungsmessungen kann die Lage der Erde im Raum und deren Drehgeschwindigkeit bestimmt werden.“

Vom Auto ins Flugzeug

Die beiden Größen werden zwei- bis dreimal in der Woche neu ermittelt und fließen, vom Autofahrer unbemerkt, in das Navigationsgerät ein. Die Methode mit den Radioteleskopen ist allerdings sehr aufwendig. Zudem fehlte für Ulrich Schreiber immer ein irdisches Bezugsystem, also eine Messstation, die keine weit entfernten Himmelskörper wie Quasare als Fixpunkte benötigt. Dafür stieg er aus dem Auto ins Flugzeug. Seit den 1970er Jahren navigieren Piloten dort mithilfe von sogenannten Ringlasern. Diese Kreiselkompasse oder Gyroskope zeigen an, wie stark der Flieger beim Lenken in eine Richtung gedreht wird. Bei einem Ringlaser durchlaufen zwei gegenläufige Laserstrahlen eine geschlossene Kreisbahn, eine besondere Art des Laserresonators. Diese Kreisbahn wird durch symmetrisch angelegte Spiegel vorgegeben. Dreht sich das Objekt, auf dem der Laserkreisel befestigt ist – in diesem Fall das Flugzeug – so bewegen sich die Spiegel in Drehrichtung. Das verändert die Umlauf- oder eben Resonatorlänge beider Strahlen: Für den einen verlängert sich der Weg, für den entgegenlaufenden verkürzt er sich. 

„Und wenn ich beide Strahlen dann rekombiniere, sehe ich eine Schwebungsfrequenz und diese Schwebungsfrequenz ist strikt proportional zur Rotationsgeschwindigkeit.“ 

Mithilfe dieser Technik wollten Schreiber und seine Kollegen Mitte der 1990er Jahre der Erde beim Drehen zusehen. Damals ein eher kritisch betrachtetes Unterfangen. 

Blick in den Ringlaser

„Wir haben die Ringlaser aus der Anwendung – sprich Flugzeugnavigation – zurückgeholt in die Forschung. Dabei zeigte sich folgende Notwendigkeit: Gegenüber einem Gyroskop, das für Navigationszwecke in einem Flugzeug vollkommen ausreichend ist, mussten wir uns in der Genauigkeit um mehr als das Millionenfache verbessern. Viele Kollegen haben gesagt, das geht gar nicht, das kann man nicht schaffen.“ 

Doch nach drei Jahren harter Arbeit stand ein funktionsfähiger Ringlaser im Keller des Wettzeller Observatoriums. Fest fixiert in einem sechs Meter dicken Betonbett, das direkt auf Felsgestein der Erdkruste verankert ist. So wird eine direkte Verbindung zu dem Objekt hergestellt, dessen Drehung der Ringlaser messen muss: die Erde. Außer dem grundlegenden Prinzip haben Flugzeug- und Erdmessgerät nicht viel gemeinsam: Handtellergroß der Laserkreisel im Cockpit, der Ringlaser im Observatorium gleicht in seiner Größe hingegen einem Wohnzimmer. Die Spiegel des Ringlasers sind quadratisch angeordnet – vier mal vier Meter. Die Größe ist entscheidend für eine hohe Messgenauigkeit. Anders könnten die Unterschiede in der Rotationsgeschwindigkeit der Erde – und damit effektiv der Tageslänge – nicht erfasst werden. 

„Das sind vielleicht zwanzig oder dreißig Mikrosekunden – also extrem wenig. Das heißt, dieser Sensor musste ein enorm hohes Auflösungsvermögen haben. Ich hätte es lieber noch größer gehabt, aber das ist nicht möglich gewesen, weil die Bausubstanz unseres Ringlasers in der Größe gar nicht zu bekommen war.“ 

Der Standort ist entscheidend

Doch Größe allein bringt nicht die gewünschten Ergebnisse. Schritt für Schritt mussten mögliche Fehlerquellen ausgemerzt werden. Das war unter dem Strich alles, was die Spiegelposition – neben der Erdrotation – verändern kann. Deswegen steht der Ringlaser hoch isoliert in einer Vakuumkammer. Und das Baumaterial ist Glaskeramik, denn Metall zieht sich schon bei geringen Temperaturschwankungen zusammen und auseinander. Nach zehn Jahren des Aufbauens, Justierens und Messens hatten Schreiber und seine Kollegen Ergebnisse, die mit denen der Radioteleskopmessungen übereinstimmten – der Ringlaser liefert Informationen über die Rotationsgeschwindigkeit. Dabei muss auch der Standort Bayern berücksichtigt werden. Wäre der Laser auf dem Nordpol platziert, 

„…dann würden wir den vollständigen Beitrag der Erdrehung messen können. Da wir bei einem Breitengrad von 49 Grad nördlicher Breite lokalisiert sind, sehen wir etwa nur 70 Prozent der Drehrate.“ 

Ginge man mit dem Ringlaser langsam Richtung Äquator, würde die Drehrate immer weiter abnehmen. Auf dem Äquator selbst würde der Ringlaser keine Rotation detektieren. Da neben dem Standort auch die aktuelle Lage der Erddrehachse berücksichtigt werden muss, sind zusätzlich Neigungsmesser eingebaut.

Der Großringlaser am Geodätischen Observatorium Wettzell

 „Allerdings nur in einer Richtung – in der Nord-Süd-Komponente. Man bräuchte noch einen zweiten Ringlaser, der 90 Grad versetzt auf der Erde sitzen würde, wenn man die komplette Bewegung der Erddrehachse haben möchte.“

Komplett ist die Messung also noch nicht. Nichtsdestotrotz sind die Ergebnisse des Ringlasers erstaunlich akkurat. 

 „Die Radioteleskope sind noch eine halbe Größenordnung, also um einen Faktor fünf, genauer als das, was wir mit dem Ringlaser können. Betrachten Sie den Ringlaser als work in progress.“ 

Ein work in progress, in den Ulrich Schreiber viel Hoffnung legt. Zwar glaubt er nicht, dass Ringlaser die Peilmessung der Radioteleskope wirklich ersetzen können, aber sehr gut ergänzen. Ein großes Plus des Ringlasers: Er kann im Gegensatz zu den Radioteleskopen kontinuierlich messen, 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche. Theoretisch könnte man also zu jeder Zeit die aktuelle Drehgeschwindigkeit der Erde ablesen. Schreiber hat mit dem Ringlaser sehr wahrscheinlich sein geplantes terrestrisches Bezugssystem zu den galaktischen Messungen entwickelt. Die beiden Systeme könnten sich gegenseitig überprüfen. Dazu bräuchte es aber mehr Ringlaser, die überall auf der Welt verstreut sind. Ganz so weit will man im Observatorium Wettzell aber noch nicht denken. Zunächst sollen die Messgenauigkeit erhöht und weitere mögliche Fehlerquellen eliminiert werden.

„Wir haben natürlich ein ganzes Hausaufgabenheft, was da noch zu klären ist, das ist gar keine Frage.“