Rotation der Erdachse erstmals unmittelbar gemessen

"Die Erde schlingert", erläutert die TUM-Pressemitteilung und führt weiter aus: "Wie bei einem Brummkreisel, den man antippt, schwankt die Lage ihrer Rotationsachse im Raum, weil die Gravitation von Sonne und Mond auf sie wirkt. Gleichzeitig ändert sich auch die Position der Rotationsachse auf der Erde permanent: Zum einen verursachen Ozeanbewegungen, Wind und Luftdruck eine Bewegung der Pole, die rund 435 Tage dauert – ein nach seinem Entdecker 'Chandler Wobble' getauftes Phänomen. Zum anderen ändert sich die Position im Laufe eines Jahres, weil die Erde auf einer elliptischen Bahn um die Sonne rast - der 'Annual Wobble'. Die beiden Effekte ergeben eine unregelmäßige Wanderung der Erdachse auf einer kreisähnlichen Linie mit einem Radius von maximal sechs Metern."

Diese Schwankungen zu erfassen, ist entscheidend für ein zuverlässiges Koordinatensystem und damit für den Betrieb von Navigationssystemen oder die Vorhersage von Bahnen in der Raumfahrt. "Einen Punkt für die GPS-Ortung zentimetergenau zu bestimmen, ist ein hochdynamischer Vorgang - schließlich bewegen wir uns in unseren Breiten pro Sekunde um circa 350 Meter nach Osten", sagt Prof. Karl Ulrich Schreiber, der in der Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie der TUM das Projekt geleitet hat. Die ersten Ergebnisse wurden nun im Fachmagazin "Physical Review Letters" veröffentlicht und von der "American Physical Society" als "Exceptional Research Spotlight" eingestuft.

Bislang sind weltweit 30 Radioteleskope im Einsatz, um die Lage der Achse im Raum und die Drehgeschwindigkeit der Erde in einem vergleichsweise aufwendigen Prozess zu berechnen. Dabei messen acht bis zwölf von ihnen abwechselnd jeden Montag und Donnerstag die Richtung zu bestimmten Quasaren. Da Astrophysiker davon ausgehen, dass sich die Position dieser Galaxiekerne nicht verändert und sie deshalb, werden diese als Fixpunkte für die Messungen genutzt.

Gemeinsam mit Wissenschaftlern der University of Canterbury arbeiten die Münchner Forscher seit Mitte der 1990er Jahre an der Entwicklung einer neuen und weniger aufwendigen kontinuierlichen Bestimmung des Chandler und des Annual Wobble, um mit dieser dann auch mögliche systematische Fehler ausschließen zu können. "Schließlich wäre es ja möglich" so Schreiber, "dass die angenommenen Fixpunkte gar keine sind."

Auf dem Gelände des Wettzeller Observatoriums entsteht hierzu derzeit der weltweit genaueste und stabilste Ringlaser, wie er in einfacherer Form auch in Flugzeugen zur Navigation verwendet wird. Zwei Lichtstrahlen durchlaufen darin in entgegen gesetzten Richtungen eine quadratisch angeordnete Bahn mit Spiegeln in den Ecken, die in sich geschlossen ist. Dreht sich eine solche Apparatur, hat der Laserstrahl in der Drehrichtung einen längeren Weg als der gegenläufige. Die Strahlen passen daraufhin ihre Wellenlänge an und die optische Frequenz ändert sich.

Aus dieser Differenz können die Wissenschaftler dann auf die Drehgeschwindigkeit schließen. In Wettzell dreht sich dieser Ringlaser jedoch nicht selbst, sondern nur die Erde. Hinzu ist die Konstruktion in einem massiven Betonpfeiler verankert, der wiederum in rund sechs Metern Tiefe auf massiven Fels der Erdkruste gegründet ist. Damit ist sichergestellt, dass ausschließlich die Erdrotation auf die Laserstrahlen wirkt.

Wie stark die Erdrotation das Licht in einer solchen Apparatur beeinflusst, ist natürlich abhängig von deren Standort: "Stünden wir am Pol, wären die Drehachse der Erde und Drehachse des Lasers identisch und wir würden die Drehgeschwindigkeit eins zu eins sehen", erklärt Schreiber. "Am Äquator dagegen würde der Lichtstrahl gar nicht merken, dass sich die Erde dreht." Aus diesem Grund müssen die Wissenschaftler die Position des Wettzeller Lasers auf dem 49. Breitengrad berücksichtigen.

Ändert sich nun die Achse der Erdrotation, ändert sich auch das, was die Forscher von der Drehgeschwindigkeit sehen wodurch Veränderungen im Verhalten des Lichts die Schwankungen der Erdachse anzeigen.

"Das Prinzip ist einfach", sagt Schreiber. "Die große Schwierigkeit bestand darin, den Laser so stabil zu halten, dass wir ein solch schwaches geophysisches Signal störungsfrei messen können - und das über Monate.“ Das heißt, die Wissenschaftler müssen Änderungen in den Frequenzen ausschließen, die nicht von der Drehbewegung der Erde, sondern von Umwelteinflüssen wie beispielsweise Luftdruck und Temperatur herrühren.

Nachdem alle notwendigen Vorgaben erfüllt waren, ist es den Forschern gelungen, die aus den Messungen der Radioteleskope stammenden Daten zur Ausprägung des Chandler Wobble und des Annual Wobble mit Hilfe des Ringlasers zu bestätigen. Das nächste Ziel der Forscher ist es nun, die Genauigkeit der Konstruktion so zu erhöhen, dass sie Veränderungen der Erdrotationsgeschwindigkeit eines einzelnen Tages erfassen kann und den Ringlaser so für einen dauerhaften Betrieb zu rüsten, damit die Apparatur auch über Jahre keine Abweichungen produziert.