In Reichweite: Genaue Vermessung des Geoids vom Erdboden

Zürich (Schweiz) – Die wahre physikalische Form der Erde – das sogenannte Geoid – lässt sich grob durch die Untersuchung von Satellitenbahnen bestimmen. Eine sehr viel genauere Vermessung des Geoids mithilfe von Atomuhren am Erdboden sei in greifbarer Nähe, so ein internationales Forscherteam im Fachblatt „Geophysical Journal International“. Eine detaillierte Kenntnis des Geoids ist für die Geophysiker von großer Bedeutung, da sie beispielsweise Rückschlüsse auf Dichteanomalien im Inneren der Erde erlaubt.

„Das Geoid entspricht etwa der mittleren Meeresoberfläche“, so Ruxandra Bondarescu von der Universität Zürich und ihre Kollegen, „doch im Bereich von Kontinenten ist das Geoid schwerer zu bestimmen.“ Beim heutigen Standardverfahren messen Forscher die Abweichungen von Satellitenbahnen von der Idealform. Mithilfe komplexer Computermodelle rekonstruieren die Wissenschaftler daraus ein Geoid, das möglichst genau mit der mittleren Meeresoberfläche übereinstimmt. Dieses Geoid extrapolieren sie dann über die Landmassen der Erde hinweg. Doch dieses Verfahren liefert oft mehrere mögliche Varianten, die dann subjektiv ausgewählt werden müssen. Außerdem ist die räumliche Auflösung mit etwa 400 Kilometern zu gering, um den vielfältigen Dichteschwankungen in der kontinentalen Erdkruste und darunter gerecht zu werden.

Es gibt allerdings eine andere Methode, so Bondarescu und ihr Team, die viel genauere Ergebnisse liefern kann und die dank des Fortschritts beim Bau ultrapräziser Atomuhren schon bald anwendungsreif sein könnte. Das Geoid ist – physikalisch gesprochen – eine Fläche, auf der die Schwerkraft der Erde konstant ist. Die Allgemeine Relativitätstheorie Albert Einsteins zeigt, dass die Zeit nicht überall gleich verläuft, sondern umso langsamer, je stärker das Gravitationsfeld ist. Deshalb lässt sich mit genauen Atomuhren der Verlauf des Geoids bestimmen: Oberhalb dieser Fläche laufen die Uhren schneller, darunter langsamer.

Die besten Atomuhren sind so präzise, dass sie im Verlauf von zwanzig Milliarden Jahren nur um eine Sekunde falsch gehen würden. Mit dieser Genauigkeit lassen sich Höhenabweichungen von nur einem Zentimeter messen. Allerdings existieren derart genaue Atomuhren bislang nur im Labor unter genau kontrollierten Bedingungen. Doch die Entwicklung gehe weiter, so Bondarescu und ihre Kollegen. So plant die europäische Raumfahrtbehörde 2014 eine Atomuhr an Bord der Internationalen Raumstation zu installieren, die bereits eine Ganggenauigkeit von einer Sekunde pro 200 Millionen Jahren hat. Es sei also nur eine Frage weniger Jahre, bis ausreichend genaue Atomuhren auch außerhalb kontrollierter Laborbedingungen verfügbar sind. „Wir denken, dies ist der richtige Zeitpunkt für die Geophysiker, über mögliche Anwendungen dieser neue Technik zu diskutieren.“