Die Vermessung der Welt mit Quanten und Relativität - Jürgen Müller Institut für Erdmessung
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Die Vermessung der Welt
mit Quanten und Relativität
Jürgen Müller
Institut für Erdmessung
Leibniz Universität Hannover
Das Objekt
Die Vermessungsmethoden
‚Messen‘
Größe, Bewegung, Deformationen
klimanet4kids.baden-wuerttemberg.de
‚Wiegen‘
Massenverteilung und
Massenveränderung Foto: istock, SZ
Man braucht Erdmessungs-Experten
Erdbeobachtung vom Weltraum aus
Satelliten erfassen das System Erde
• global
• mit vernünftiger Wiederholungsrate
• zeitnah
• gleichmäßig
GRACE
GOCE GNSS
GOCE-Anwendungen
Ziel: Globales, statisches Schwerefeld mit maximaler
räumlicher Auflösung
Geodäsie (Höhensysteme,
Geoid, Navigation,
Schwere …)
Ozeanographie
(Meeresströmungen,
Wärmetransport, …)
Geophysik (Lithosphäre,
tektonische Bruchzonen,
Mantel-Plumes, …)
ESA
Eismassenänderung in Grönland aus GRACE
Eismassenverlust
ca. 200-300 Gt/Jahr,
beschleunigt?!
monatliche GRACE-Lösungen
Trend (linear + quadratisch)
2003 – 2012
Eicker et al. 2013 Velicogna 2013
Neue Satellitenmissionen
GRACE Follow-On mission 2017-2022
Olympisch Geodätisch
„schneller“ „feiner“
„höher“ „genauer“
„weiter“ „länger“
Laser-Interferometrie für Satellitengravimetrie
OPTIMA
(Idee für GOCE-Nachfolger)
GRACE-Follow On
(2017-2024)
Laser Ranging Interferometer (LRI)
Design: AEI Hannover
Instrument:
LRI kombiniert mit
optischem Gradiometer
Gravimetrische Messungen auf der
ErdoberflächeAbsolutgravimeter: Frei-Fall-Messung (klassisch)
F m
r mg
Integration
r gt r0
1 2
r gt r0t r0
2
1 2
zi gti z0ti z0
2… ebenso zur Berechnung einer Satellitenbahn
GMm r
F mr 2
r r
Integration
r
r r dt r0
r r dt r0
rFG5X-220 an TU Clausthal, Institut für Geophysik
Fahrstuhl mit
Prisma Gegengewicht
Dropping Chamber FG5X-220Nacheiszeitliche Landhebung in Skandinavien GRACE plus Absolutgravimetrie (Kampagnen 2003 bis 2008)
Reicht die vorhandene Technologie…
… zur Vermessung der Welt?Quantengravimeter
Laserstrahl
3D Magneto-Optische Falle
Atomwolke
Fallkammer
Spiegel
Vibrationsisolierung
Schilling, ifeAtominterferometer - Prinzip
Magnetisch unterstützte Laserkühlung
Abschalten der Falle und freier Fall
1. Strahlteiler
Spiegel
2. Strahlteiler
Detektion der Zustände
∆Φ = Φ(0) − 2Φ(T) + Φ(2T) = −keff gT2
Schilling, ifeAtominterferometrie
• Materiewelle einer frei-fallenden Atomwolke wird geteilt, abgelenkt
und wieder kombiniert mithilfe von Laserpulsen
• Positionsinformation wird ‘eingeprägt’ in die Phase der Materiewelle
bei jeder Atom-Licht-Wechselwirkung
• Messung durch Auslesung der atominterferometrischen Phase
∆Φ = Φ(0) − 2Φ(T) + Φ(2T) = −keff gT2
Rasel et al. 2013Quantengravimeter
µGal in Stunden
Institut für Quantenoptik, LUHNutzung von Uhren fürs Schwerepotential
(„relativistische Geodäsie“)
Wozu?
• Neue Beobachtungsgröße für Höhen
• Überwindung großer Distanzen und
Anbindung entfernter Gebiete
• Alternative HöhenreferenzKlassisch: Nivellement und Höhensysteme
Einrichtung eines Höhensystems:
Nivellement + terrestrische Gravimetrie
In Germany:
30 908 km Nivellementslinien
287 Schleifen, 469 Knoten
Erneuerung ~10 Jahre
Höhenübertragung/Referenz mit Uhren?
BKG/IfE
Erdoberfläche
Ozean-
oberfläche HP: nivellierte Höhen
Geoid = ÄquipotentialflächeIdee der Relativitätstheorie A. Einstein: Die Gravitation kann als Effekt der Raumzeit- Krümmung verstanden werden. Das heißt: Raum und Zeit werden u.a. durch Massen verändert. Also: Durch geeignete Messung kann man Massen ‚bestimmen‘.
Uhren zur Schwerefeldbestimmung
d 1 v2 U Eigenzeit, c Lichtgeschwindigkeit,
1 2 ,
dt 2 c c v Geschwindigkeit, U Gravitationspotential
2
2
1
GeoidPotentialänderung durch Gezeiten
PTB Braunschweig, 2012 1 m2/s2 ~ 10 cm
d 1 W
Differenz PTB zu 1 2
MPQ/Garching d 2 c
W Schwerepotential
d 1 df 2
d 2 df1
Timmen, ifeDazu notwendig: gute optische Uhren
1E-15 1E-10 1000000
1E-11 100000
Äquivalente Höhe (m)
1E-12 10000
1E-16
Instabilität
Ungenauigkeit
1E-13 1000
1E-14 100
1E-15 10
zeiten
1E-17
Ge-
Cs Clocks
1E-16 1
Optical Clocks
1E-17 0,1
Optical Clocks PTB
1E-18 1E-18 0,01
1 10 100 1000 10000 100000 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Integrationszeit (s) Jahr
Sr lattice Uhr stabil Al+ Uhr reproduzierbar
Hybride Uhr:
stabil & reproduzierbar
Schmidt, PTBUhren zur Schwerefeldbestimmung
Relativistische Frequenzänderung:
Es gilt: f 1017 H 10 cm
Uhr@Geoid
Erdoberfläche
Meeres-
oberfläche W f 2
Hp , W c
g f
Geoid
• geopotentia
l models
Uhren basiertes • satellite
orbits
d 1 df 2
Höhensystem • geocenter
coordinates d 2 df1Gemeinsame Nutzung von Gravimetern und Uhren
für die Geoforschung
Atomgravimeter Atomuhr
2
Erdoberfläche
h
1
h
m
d 1 U
1 2
d 2 c
Gm Gm Gm Gm
g U
h h h h
2 2
h h
~ m, h
Bondarescu et al. 2012Die neue Vermessung der Welt SFB-Sprecher: J. Flury
Zusammenfassung
Geodäsie (+ Physik-Knowhow) tragen enorm zur
Erdsystemforschung bei:
Neue/verbesserte Methoden der Schwerefeldbestimmung
Anwedung von Quantenphysik und Relativitätstheorie
Großer Nutzen für alle Geo-Disziplinen
In Zukunft: - gezielte Nutzung neuer Technologien/Konzepte
- verbesserte Analyse und Modellierung
- interdisziplinäre Kooperationen notwendig
Schlüsselrolle der GeodäsieSie können auch lesen
