Forscher messen die exakte Höhe von Orten mit zwei Uhren im Abstand von 2000 km

Geodäsie Forscher messen die exakte Höhe von Orten mit zwei Uhren im Abstand von 2000 km

18.09.2013Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Forscher aus Garching und Braunschweig transportieren Frequenzen hochgenau über eine Entfernung von fast 2000 km – und können auf diese Weise die Höhe von Orten und kleineren Strukturen über Normalnull millimetergenau bestimmen.

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Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Sie ähnelt einem ausgebeulten Fußball: Das ist die Erde, wenn man sie als Geoid darstellt, also die tastsächliche Schwerkraftverteilung zeigt. Die Höhe der „Beulen“, die mit dem Schwerefeld der Erde zu tun haben, sind hier vom Satelliten Goce ermittelt worden. Die Daten sind zwar präzise, was die jeweilige Höhe der „Buckel“ angeht, aber die seitliche Auflösung beträgt mehrere Kilometer. Will man die Höhe von kleineren Strukturen und Orten auf der Erde wissen, kann man in Zukunft Frequenzvergleiche zwischen optischen Atomuhren einsetzen. Der Transport der Frequenz gelang jetzt über rund 2000 km Entfernung mit einer Auflösung, die nur 4 mm Höhendifferenz entspricht.
(Bild: ESA)

Wie hoch liegt ein Ort über „Normalnull“? Und wo genau liegt überhaupt „Normalnull“? Ein Ziel der Geodäten ist es, das auf einen Zentimeter genau zu ermitteln, wobei herkömmliche Vermessungsverfahren oder GPS-Technik über Satelliten an ihre Grenzen stoßen.

Hier bieten optische Atomuhren einen neuen Ansatz, denn der Gang einer Uhr wird durch das Gravitationsfeld des jeweiligen Ortes beeinflusst. Dieser bekannte, aber winzige Effekt wurde in den letzten Jahren mit zwei optischen Uhren innerhalb weniger Minuten Messzeit immer empfindlicher nachgewiesen. Diese Uhren standen jedoch in demselben Institut. Jetzt dürfen auch rund 2000 km zwischen ihnen liegen.

In kommerziellen Glasfasern und mithilfe ausgeklügelter Verstärkertechnik wird die Frequenz der einen Atomuhr bis zur anderen transportiert und dort verglichen. Durch ein hochempfindliches Interferometrieverfahren gelingt dies auf 19 Stellen hinter dem Komma genau. Die Ergebnisse der erfolgreichen Kooperation zwischen dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Sie bilden auch eine wichtige Basis für einen jetzt beantragten Sonderforschungsbereich der PTB und der Universität Hannover mit der Universität Bremen.

Peinliche Panne beim Brückenbau

Beim Brückenbau kann so einiges schiefgehen. Die Bewohner des deutschen und des schweizerischen Teiles von Laufenberg freuten sich schon auf die neue Hochrheinbrücke, als man stutzig wurde: Die aufeinander zuwachsenden Brückenteile unterschieden sich in der Höhe um ganze 54 cm. Ein peinlicher Fehler: Da hatte jemand den bekannten Höhenunterschied von 27 cm in den Höhennetzen der Schweiz und Deutschlands falsch in die Rechnung eingebaut, sie somit verdoppelt und nicht getilgt.

Diese Höhendifferenz existierte, weil die Deutschen sich bei solchen Berechnungen auf die Meereshöhe der Nordsee beziehen, die Schweizer dagegen auf die Meereshöhe des Mittelmeeres. Normalnull ist also nicht gleich Normalnull. Um solche Fehler in Zukunft auszuschließen, würden die Geodäten gerne das Normalnull neu berechnen, und zwar auf der Grundlage der Schwerkraft der Erde. Ihr Ziel ist es, das sogenannte Geoid der Erde, also die tatsächliche Schwerkraftverteilung, auf wenige Zentimeter genau zu ermitteln.

Da kommen die optischen Atomuhren, die seit einigen Jahren von Physikern entwickelt werden, genau richtig. Denn sie können erstmals eine Frequenz so genau realisieren, dass selbst die kleinen Frequenzabweichungen, die von einigen Zentimetern Höhenunterschied verursacht werden, auffallen. Dahinter steckt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die sogenannte Gravitations-Rotverschiebung: Wenn eine Uhr weiter von der Erde entfernt ist, sich also in einem schwächeren Schwerefeld befindet, läuft für sie die Zeit tatsächlich etwas schneller ab. Für einen Höhenunterschied von einem Meter ändert sich der Gang (also die Frequenz) einer Uhr um 1 ^. 10^–16 .

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