Erste Messung der Erdgravitation mit einer transportablen optischen Uhr

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In einer europäischen Forschungskooperation, an der Uhrenexperten des National Physical Laboratory (NPL, England), des Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, Italien) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) beteiligt waren, wurde die transportable optische Strontiumuhr der PTB genutzt, um das Gravitationspotential der Erde zu messen. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe von Nature Physics veröffentlicht.

Optische Atomuhren sind hochkomplizierte Apparaturen und waren daher bis vor Kurzem nur in den Laboren einiger großer Forschungsinstitute zu finden. Die transportable optische Strontiumuhr der PTB eröffnet jetzt erstmals Messungen „im Feld“.

Blick ins Innere des Anhängers mit der transportablen optischen Strontiumuhr der PTB.
(Foto: PTB)

Für die internationale Messkampagne wurde die Uhr in ihrem schwingungsgedämpften und temperaturstabilisierten PKW-Anhänger ins französische Modane Underground Laboratory (LSM) gefahren. Das interdisziplinäre Laboratorium wird betrieben vom Centre National de la Recherche Scientifique und der Universität Grenoble Alpes. Es liegt in der Mitte des Fréjus-Tunnels zwischen Frankreich und Italien.

Dort maß das Team die Differenz der Gravitationspotentiale zwischen dem exakten Standort der Uhr im Inneren des Berges und einer zweiten Uhr im INRIM im 90 km entfernten Turin – mit einer Höhendifferenz von rund 1000 Metern. Der genaue Uhrenvergleich wurde möglich durch eine 150 km lange Glasfaserverbindung des INRIM und einen Frequenzkamm des NPL, der Uhr und Faserverbindung verknüpft. Wissenschaftler der Universität Hannover bestimmten dieselbe Gravitationspotentialdifferenz mit konventionellen geodätischen Messmethoden. Die Ergebnisse beider Messungen waren konsistent.

Genauigkeitsverbesserungen bei der transportablen optischen Uhr vorausgesetzt, hat diese Methode das Potential, Höhenunterschiede auf der Erdoberfläche von nur wenigen Zentimetern bestimmen zu können. Eine optische Uhr hat den Vorteil, an bestimmten Punkten auf der Erde zu messen, während bei Satellitenmessungen wie GRACE oder GOCE das durchschnittliche Gravitationspotential der Erde in Größenordnungen von etwa 100 km gemittelt wird. Außerdem ist bei den Uhrenmessungen die Messunsicherheit nahezu unabhängig vom Abstand zwischen den beiden Uhren; bei traditionellen geodätischen Verfahren dagegen akkumulieren sich Messfehler mit zunehmender Entfernung.

Aufbau der transportablen optischen Uhr in dem unterirdischen Labor.
(Foto: Lisdat/PTB)

Die neue Methode könnte feinere Messungen des Gravitationspotentials der Erde ermöglichen. Damit wären Wissenschaftler in der Lage, Veränderungen des Meeresspiegels und der Ozeanströmungen mit bisher unerreichter Genauigkeit zu überwachen. Und sie wird zu besser übereinstimmenden nationalen Höhenreferenzsystemen führen.

Um die Erdoberfläche zu messen, werden in verschiedenen Ländern zwar dieselben Methoden angewandt – jedoch mit Bezug auf unterschiedliche Höhenreferenzen. Das hat bereits zu Problemen geführt, etwa beim Bau der Hochrheinbrücke zwischen Deutschland und der Schweiz. Für ihre Konstruktion nutzten die beiden Länder unterschiedliche Berechnungen des Meeresspiegels – und am Ende waren die beiden Brückenteile um 54 cm unterschiedlich hoch. Wenn es gelingt, die verschiedenen Höhensysteme international zu vereinheitlichen, können solche Probleme bei Ingenieurs- und Konstruktionsprojekten besser vermieden werden. Verbesserte Messungen des Gravitationspotentials können außerdem helfen, geodynamische Effekte aufgrund von Massenveränderungen unter der Erdoberfläche besser zu verstehen.

Die neue Höhenmessmethode wird außerdem helfen, Veränderungen des Meeresspiegels in Echtzeit zu überwachen. Damit wird man besser unterscheiden können, ob Bewegungen von Eismassen und allgemeine Massenveränderungen des Ozeanwassers auf saisonale Schwankungen oder auf langfristige Trends zurückzuführen sind. Solche Daten können für die Modelle sehr wichtig sein, mit deren Hilfe man versucht, den globalen Klimawandel besser zu verstehen und Veränderungen vorherzusagen.

Christian Lisdat, Leiter der Arbeitsgruppe „Optische Gitteruhren“ in der PTB, sagt:
„Optische Atomuhren gelten als die Uhren der Zukunft – und dies nicht nur im Labor, sondern auch als mobile Hochpräzisionsinstrumente.“
„Diese Kooperation beweist wieder einmal, wie sehr die verschiedenen Disziplinen Physik bzw. Metrologie, Geodäsie und Klimafolgenforschung einander höchst sinnvoll ergänzen können.“

Helen Margolis, Fellow in Optical Frequency Standards and Metrology am NPL, sagt:

„Damit haben wir experimentell bewiesen: Optische Uhren können einen Beitrag zur internationalenHarmonisierung von Messungen leisten.“
„Mithilfe dieser Technologie werden wir eines Tages Veränderungen des Meeresspiegels infolge des Klimawandels überwachen.“

Heiner Denker, „Principal Investigator“ im SFB 1128 geo-Q für relativistische Geodäsie und Gravimetrie an der Leibniz Universität Hannover, sagt:

„Die neuen optischen Uhren haben das Potential, geodätische Höhenmessungen zu revolutionieren und einige Beschränkungen der traditionellen geodätischen Techniken zu überwinden.“
„Optische Uhren können uns helfen, ein weltweit einheitliches Höhenreferenzsystem zu etablieren – mit deutlichen Auswirkungen auf die Erforschung von Geodynamik und Kima.“

Davide Calonica, Leiter der Gruppe „Optische Gitteruhren und Glasfaserverbindungen“ am INRIM, sagt:

„Wir demonstrieren mit dieser europäischen Zusammenarbeit, dass optische Uhren wertvolle Quantensensoren sind und dass ihre Quantentechnologie auch außerhalb der Metrologie hilfreich sein kann – wie hier in der Geodäsie.“ „Optische Uhren und optische Glasfaserverbindungen eröffnen gemeinsam neue, faszinierende Forschungsmöglichkeiten.“

 

Veröffentlichung: J. Grotti, S. Koller, S. Vogt, S. Häfner, U. Sterr, C. Lisdat et al.: Geodesy and metrology with a transportable optical clock. Nature Physics, 2018, http://dx.doi.org/10.1038>/s41567-017-0042-3

Quelle: off. Presseinformation des National Physical Laboratory (NPL), des Istituto Nazionale di Ricerca Metrolgoica (INRIM), der Leibniz Universität Hannover und der PTB)

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.