Einzigartiger Ringlaser misst Schwankungen der Tageslänge

München - Die Erde ist alles andere als eine starre, perfekte Kugel. Ständig bewegen sich die flüssigen Gesteinsmassen im Erdinneren, das Wasser der Ozeane, die Eisschilde und die Atmosphäre. Dadurch verändert sich permanent und unberechenbar die Drehgeschwindigkeit der Erde und damit die Länge eines Tages. Nun gelang es einer deutsch-neuseeländischen Arbeitsgruppe, die winzigen Abweichnungen der Tageslänge mit einem speziellen Ringlaser auf wenige Millisekunden genau zu messen. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ berichten, kann ihr neues Messverfahren zu einer deutlich besseren Korrektur von Positionsmessungen per Satellit führen als bisher.

Die Grundlage für den extrem empfindlichen Rotationssensor, den Ulrich Schreiber von der Technischen Universität München und seine Kollegen entwickelt haben, bilden zwei Laserstrahlen. In dem Ringlaser bewegt sich ein Strahl im Uhrzeigersinn, ein zweiter entgegengesetzt gegen den Uhrzeigersinn. Nun verursacht die Drehung der Erde eine winzige Frequenzverschiebung, vergleichbar mit der Dopplerfrequenzverschiebung bewegter Objekte. Dieser Frequenzunterschied der beiden Laserstrahlen ist ein Maßstab für die Rotationsgeschwindigkeit der Erde und kann über eine Interferenzmessung exakt bestimmt werden.

Der technische Aufwand für den neuen, extrem genauen Rotationssensor ist groß. So musste das Auflösungsvermögen von kommerziell verfügbaren Sensoren um etwa sechs Größenordnungen gesteigert werden. „Das gelang uns durch eine enorme Vergrößerung des Sensors“, sagt Schreiber. So ordneten die Forscher ihre Laser auf eine 16 Quadratmeter große, hochstabil gelagerte Apparatur an, entlang deren Ränder die beiden Laserstrahlen laufen. Um Erschütterungen und weitere störende Einflüsse der Umwelt zu minimieren, lagerten sie den Ringlaser auf einen massiven Betonblock in einem unterirdischen Labor im bayrischen Wettzell nahe der Grenze zu Tschechien.

Dank dieses Aufwands konnten Schreiber und Kollegen die Erdrotation auf einen fünfmilliardstel Teil – das entspricht einer Abweichung von wenigen Millisekunden über einen Zeitraum von 120 Tagen – genau bestimmen. Zudem lässt sich die Erddrehung mit dem Ringlaser dank eines ausgeklügelten Korrekturprogramms alle drei Stunden messen. Dieses Programm berücksichtigt etwa Korrekturen der gegenseitigen Beeinflussung der beiden Laserstrahlen oder der Gezeitendeformation der festen Erde aufgrund der Gravitationswirkung von Sonne und Mond. Bisherige Methoden, die auf der Auswertung der Positionsdaten von einigen hundert auf der ganzen Erde verteilten Ortungssensoren beruhen, liefern dagegen nur einen Korrekturwert pro Tag.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen wollen Schreiber und Kollegen nun das Signal-Rausch-Verhältnis ihrer Messungen weiter optimieren. „Damit können wir die Ringlaserbeobachtungen auch dem Internationalen Erdrotationsdienst – IERS - International Earth Rotation and Reference System Service – als neues unabhängiges Messverfahren zur Verfügung stellen“, sagt Schreiber. Die Messungen solcher Ringlaser könnten dann beispielsweise für eine bessere Korrektur der Positionsbestimmung mit Satelliten genutzt werden.