Optische Atomuhr im Feldeinsatz

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, haben Forscher die transportable optische Strontium­uhr der PTB genutzt, um das Gravitations­potential der Erde zu messen. 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“.

Für eine 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 neunzig Kilometer entfernten Turin – mit einer Höhen­differenz von rund 1000 Metern. Der genaue Uhren­vergleich wurde möglich durch eine 150 Kilometer 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 Kilometern 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.

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 Zentimeter 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.“

Heiner Denker, Principal Investigator im SFB 1128 geo-Q für relativistische Geodäsie und Gravi­metrie an der Leibniz Universität Hannover, ergänzt: „Die neuen optischen Uhren haben das Potenzial, 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.“

PTB / DE