Zusammenfassung

Wie ein gigantischer Kreisel dreht die Erde sich beständig um sich selbst. Diese Rotation ist aber nicht konstant, sondern wird etwa durch Hochdruckgebiete in der Atmosphäre, die Verlagerung von Wassermassen durch Ebbe und Flut, aber auch durch das Abschmelzen der Eisschilde auf Grönland und an den Polen beeinflusst. Genau diese Schwankungen stehen im Mittelpunkt der neuen Forschungsgruppe „RING: Rotationsbewegungen in der Physik, Geophysik und Geodäsie“, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für vier Jahre mit vier Millionen Euro gefördert wird. Grundlage ist die technologische Weiterentwicklung von Ringlaser-Systemen, mit denen die Erdrotation hochpräzise vermessen werden kann. 

„Nicht nur für die Erforschung des Klimawandels, sondern auch für funktionierende Navigationsgeräte sind genaue Messungen der Erdrotation unerlässlich“, erklärt Heiner Igel, Professor für Geophysik und Seismologie an der Ludwig-Maximilians- Universität München und Sprecher der neuen Forschungsgruppe. Leitende Wissenschaftler (PIs) vonseiten des GFZ Helmholtz-Zentrums für Geoforschung sind Dr. Robert Heinkelmann, Arbeitsgruppenleiter in Sektion 1.1 „Geodätische Weltraumverfahren“, und Prof. Dr. Andreas Güntner, Arbeitsgruppenleiter in Sektion 4.4 „Hydrologie“. 

Entwicklung von Ringlasern für den Einsatz in Geodäsie und Geophysik

Um bislang kaum messbare Veränderungen der Erdrotation sichtbar zu machen, setzt die neue DFG-Forschungsgruppe auf Ringlaser. Diese optischen Messinstrumente erfassen Drehbewegungen mithilfe des sogenannten Sagnac-Effekts. Hierbei nutzt man zwei gegenläufig im Kreis geführte, kohärente Laserstrahlen, die nach einer Umrundung überlagert werden und eine entsprechende Interferenz erzeugen. Bei Änderungen der Erdrotation – Beschleunigung oder Verlangsamung – verlängert oder verkürzt sich die Komponente des Strahlengangs in Rotationsrichtung des Gesamtsystems während sich in entgegengesetzter Richtung der Laufweg entsprechend verkürzt oder verlängert. Dadurch kommt es bei der Interferenz zu einer Frequenzverschiebung und einer entsprechenden Veränderung des Interferenzmusters, die durch den Ringlaser extrem genau gemessen werden kann.

Die Forschungsgruppe baut auf ihrer langjährigen Expertise mit der Technologie auf und will sowohl große stationäre Ringlaser – wie den Ringlaser ROMY bei Fürstenfeldbruck oder den Ringlaser G am Geodätischen Observatorium Wettzell – als auch portable Sensoren technologisch weiterentwickeln. „Unser Ziel ist, extrem empfindliche Rotationsmessungen mit einem hohen Maß an kurz- und langfristiger Stabilität zu entwickeln, die sowohl in der Geodäsie als auch in der Geophysik eingesetzt werden können“, sagt Igel. 

Aus Sicht der Geodäsie stellen Ringlaser die derzeit einzige alternative Sensorik zu den geodätischen Raumverfahren zur Verfügung, um die Erdrotation mit entsprechender Genauigkeit zu messen. Um die Ringlaserdaten für die Erdrotationsforschung ausnutzen zu können, müssen neben den Erdrotationssignalen jedoch andere geophysikalische Effekte wie Seismik, Krustendeformationen und Kippungen des Sensors modelliert werden. Durch die umfassende Expertise in der Forschungsgruppe bietet sich die einzigartige Möglichkeit, auf alle diese geophysikalischen Aspekte in einer Gesamtschau einzugehen. 

DFG-Forschungsgruppe mit sechs Teilprojekten

DFG-Forschungsgruppen ermöglichen Wissenschaftler:innen, sich aktuellen und drängenden Fragen ihrer Fachgebiete zu widmen und innovative Arbeitsrichtungen zu etablieren. Sie werden bis zu acht Jahre lang gefördert. 

Die neue Forschungsgruppe setzt sich aus insgesamt sechs Teilprojekten zusammen, an zweien davon sind Forschende des GFZ beteiligt. Hauptantragsteller ist die LMU München. Weitere Antragsteller neben dem GFZ sind die Universität Bonn, das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG), die TU München, das KIT in Karlsruhe, die Universität Hamburg, die Hamburger Sternwarte, die Universität Hannover, die TU Berlin sowie das von BKG und TU München gemeinsam betriebene Geodätische Observatorium Wettzell. 
 

Die Teilprojekte unter GFZ-Leitung

Teilprojekt P4:
Kombination von Ringlaser, LLR, und VLBI für die optimale Bestimmung und Prädiktion der Erdorientierungsparameter (EOP)

PI Dr. Robert Heinkelmann, Sektion 1.1 „Geodätische Weltraumverfahren“, GFZ 

Im Gegensatz zu den geodätischen Raumverfahren bildet der Ringlaser das Erdrotationssignal bezüglich des durch die Laserebene gegebenen lokalen Bezugsystems ab. Dabei wird nicht wie bei den geodätischen Raumverfahren zwischen Erd-festen und Raum-festen Signalanteilen unterschieden. Eine Aufgabe besteht also zunächst darin, die lokalen Erdrotationssignale des Ringlasers auf die Erddrehachse zu transformieren und in Erd-feste (Polbewegung) und Raum-feste (Präzession-Nutation) Anteile zu trennen.

Da sich das Ringlasersignal auf eine eigene inertiale Ebene bezieht, können mit dem Ringlaser prinzipiell auch keine absoluten Raumrichtungen zu astronomischen Objekten bestimmt werden. Der Sensor ist lediglich in der Lage, die Änderungen der Rotation aufzuzeigen. Die absolute Orientierung im Weltraum muss weiterhin durch die etablierten geodätischen Raumverfahren VLBI (Very Long Baseline Interferometry; Anschluss zum himmels-festen Referenzsystem ICRS) und LLR (Lunar Laser Ranging; Anschluss zu den Mond-Ephemeriden) erfolgen. Die beiden geodätischen Raumverfahren sind die einzigen beiden Messmethoden, die den vollständigen Satz von allen fünf Erdorientierungsparametern (EOP) bestimmen können, also den Parametern, die die Orientierung unseres Planeten im Weltraum und seine Rotation bestimmen und für viele Anwendungen essentiell sind. 

„Ringlaser können die Erdrotation in nahezu Echtzeit und zeitlich hochaufgelöst liefern. Sie stellen dadurch insbesondere ein interessantes Werkzeug für die Vorhersage der Erdrotation dar. Die Kombination von Ringlaser-Daten mit denen der VLBI und LLR stellt eine äußerst interessante Aufgabe dar, da beide Messverfahren komplementär sind. Der kombinierte Datensatz kann gleichzeitig die höchste Genauigkeit liefern und zeitlich hochaufgelöste Signale charakterisieren, wenn es durch die Kombination gelingt, die Polbewegung und die Variation des Himmelspols zu trennen. Diesen Aufgaben wollen wir uns zusammen mit unseren LLR Kollegen vom Institut für Erdmessung der Leibniz Universität Hannover widmen“, erläutert Robert Heinkelmann, am GFZ Leiter der Arbeitsgruppe „Kombination und VLBI“ in der Sektion 1.1 „Geodätische Weltraumverfahren“ .

Teilprojekt P6:
Umwelteffekte auf lang-periodische Rotationsmessungen

PI Prof. Dr. Andreas Güntner, GFZ

Die Messungen von Ringlasern werden nicht nur von Veränderungen der Erdrotation beeinflusst, sondern auch von Prozessen im direkten Umfeld eines Ringlasers. So können zeitliche Schwankungen des Luftdrucks und Veränderungen der im Untergrund gespeicherten Wassermengen kleine Deformationen der Erdoberfläche auslösen bzw. Variationen der gravitativen Massenanziehungseffekte bewirken. Diese Effekte sind Störsignale, die die Genauigkeit der Ringlasermessungen für die eigentliche Zielgröße, die Erdrotation, vermindern. 

Ziel des Teilprojektes P6 ist es, die Wirkung kleinräumiger atmosphärischer und hydrologischer Massenveränderungen auf den Ringlaser zu verstehen und aus den Messdaten zu korrigieren. 

„Am Standort des Ringlasers am Geodätischen Observatorium in Wettzell im Bayrischen Wald werden wir zusammen mit den Kolleg:innen des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie (BKG) die Veränderungen des Grundwassers und des Wassergehaltes im Boden mit Messgeräten vor Ort genau bestimmen und modellieren. Wenn wir diese Prozesse besser kennen, können wir die Messdaten des Ringlasers noch genauer zur Bestimmung der Erdrotation auswerten. Gleichzeitig hoffen wir, auf diese Weise Erkenntnisse über die Wasserspeicherung und den Wasserkreislauf in dieser Region zu erlangen“, sagt PI Prof. Andreas Güntner, am GFZ Leiter der Arbeitsgruppe „Hydrogravimetrie“ in der Sektion 4.4 „Hydrologie“. 

(Der Text basiert auf der Pressemitteilung der LMU München.)

Weiterführende Informationen:

FOR 5939:  RING: Rotationsbewegungen in der Physik, Geophysik und Geodäsie
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553176123 

Projekt-Website: https://www.ringlaser.de/