Wie Atomuhren vor Vulkanausbrüchen warnen können

Tokio (Japan)/Braunschweig - Je geringer die Schwerkraft, desto schneller vergeht die Zeit. Diesen auf der Allgemeinen Relativitätstheorie beruhenden Effekt machten sich nun japanische Physiker zunutze, um den Höhenunterschied zwischen zwei Atomuhren zu messen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ berichten, konnten sie die jeweilige Höhe sehr genau mit einer Unsicherheit von gerade mal fünf Zentimeter bestimmen. In ihrem System sehen die Forscher die Basis für ein Netzwerk von Atomuhren, um in Zukunft selbst kleine Höhenänderungen in vulkanischen Regionen kurz vor einem Ausbruch schnell und zuverlässig bestimmen zu können. So könnten diese chronometrischen Messungen zu einer Vorhersage von Vulkanausbrüchen und bei noch höhere Genauigkeit sogar von Erdbeben führen.

„Mit dieser chronometrischen Methode gelang uns erstmals, Höhenunterschiede mit einer Auflösung im Zentimeterbereich zu messen“, sagt Hidetoshi Katori vom Center for Advanced Photonics der japanischen Forschungsgesellschaft Riken. Für dieses Experiment stellten Katori und seine Kollegen zwei spezielle Atomuhren, deren Zeitmessung auf Schwingungsfrequenzen von Strontiumatomen beruht, an der University of Tokyo und im Riken-Forschungslabor auf. Beide Uhren, optische Strontium-Gitteruhren genannt, verknüpften sie über die Distanz von 30 Kilometern mit einem Glasfaserkabel. So ließen sich die Taktraten direkt miteinander vergleichen.

Über ein halbes Jahr mehrfach wiederholte Zeitmessungen zeigten den Physikern, dass sich die Taktraten der beiden Atomuhren tatsächlich wegen der unterschiedlichen Schwerkraft geringfügig voneinander unterschieden. So bestimmten sie mit einem ausgeklügelten Lasersystem die Abweichung der Schwingungsfrequenzen auf 1,6 x 10-18 . Dieser Wert entsprach einer Höhendifferenz der beiden Uhrenstandorte von 15 Metern. Diese Messung war nur mit den optischen Strontium-Gitteruhren möglich, da sich mit diesen Schwingungsfrequenzen bis auf 17 Nachkommastellen genau bestimmen ließen und die Uhren mindestens 1000 Mal genauer sind als herkömmliche Cäsium-Atomuhren.

Auch deutsche und französische Physiker demonstrierten kürzlich vergleichbar hohe Genauigkeiten mit ihren optischen Strontium-Gitteruhren. Sie hatten zwei Uhren sogar über eine viel größere Distanz von 1.400 Kilometern zwischen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig und dem Institut Systèmes de Référence Temps-Espace in Paris verknüpft. Ihre Messungen ergaben ebenfalls genaue Höhenangaben für die Standorte, die 25 Meter voneinander abwichen.

Wegen ihrer höheren Genauigkeit könnten die weltweit entwickelten optischen Atomuhren bald für eine exaktere Definition der Sekunde genutzt werden und die etwas ungenaueren Cäsium-Atomuhren ersetzen. Parallel wären mit einem Netzwerk solcher Uhren geologischen Höhenänderungen genauer messbar als mit Satelliten. Ein solches Uhrennetzwerk böte die Basis für ein neuartiges Vorwarnsystem. Denn wenn sich in einer vulkanisch aktiven Region eine unterirdische Magmakammer vor einem Ausbruch füllt, hebt sich der darüber liegende Erdboden um 20 bis 30 Zentimeter. Diese Höhenunterschiede können mit heute verfügbaren optischen Atomuhren bereits bestimmt werden. In Zukunft hofft Hidetoshi Katori, mit noch exakter tickenden Uhren Höhenänderungen bis auf wenige Millimeter genau bestimmen zu können. Dann wäre ein Atomuhren-Netzwerk sogar genau genug, um Höhenänderungen vor Erdbeben, verursacht durch ineinander verkeilte Erdplatten, zu messen.