Rotierendes Licht auf rotierender Erde

Von unserem Heimatplaneten kennen wir die Oberfläche sehr gut, alles ist vermessen und kartographiert. Doch das allermeiste unseres Planeten, das Erdinnere, ist unerreichbar. Woher kennen wir den inneren Aufbau? Warum können wir die Verschiebung der Kontinente über die letzten 2,5 Milliarden Jahre rekonstruieren? Und wie gelangen wir an genaue Informationen zur Drehung der Erde? Mit diesen Fragen begann der sehr verständlich dargebotene Vortrag von Prof. Dr. Ulrich Schreiber über die Rotationsmessung der Erde, der am vergangenen Donnerstag am Observatorium Wettzell im vollbesetzten Vortragsraum stattfand.

Zunächst erklärte Prof. Schreiber anschaulich die physikalischen Ursachen von Schwankungen der Erdrotation. Der Himmelspol, also die gedachte Verlängerung der Erdrotationsachse im Weltraum, liegt heute nahe des Polarsterns, war aber beispielsweise im alten Ägypten an einem völlig anderen Ort des Firmaments. Verantwortlich dafür ist die Präzession, die dafür sorgt, dass in rund 26 000 Jahren der Himmelspol eine kreisförmige Bewegung beschreibt, die einem Kegel mit einem Öffnungswinkel von 47 Grad entspricht. Die Ursache der Präzession ist die Anziehungskraft der Sonne, die auf die leicht elliptische und gegenüber ihrer Umlaufbahn geneigten Erdachse wirkt und gemäß den Kreiselgesetzen zu einem seitlichen Ausweichen der Erdachse führt. Der Präzession überlagert ist die Nutation, die auf die Anziehungskraft des Mondes zurückzuführen ist.

Weitere Ursachen für ein Taumeln der Erde sind große Massenverlagerungen z.B. in den Ozeanen oder durch Wasser- und Eismassen auf den Kontinenten. Aber auch eine Eigenschaft des Kreisels Erde, nämlich eine kleine Abweichung zwischen der Figurenachse und der Trägheitsachse, verursacht eine "Unwucht", die zu einer Polbewegung von bis zu 12 Metern und einer Periode von 435 Tagen führt.

Doch wie kann man derartig kleine Beiträge messen? Klassische Rotationssensoren wie mechanische Kreisel, die früher z.B. zur Lageregelung in U-Booten oder Flugzeugen eingesetzt wurden, sind für diesen Zweck bei weitem nicht empfindlich genug. Nur mit optischer Interferometrie, also Ausnutzung der extrem kleinen Wellenlänge des Lichts, ist es möglich, kleinste Bewegungen zu messen. Erste Arbeiten von George Sagnac (1913) und Albert Michelson / Henry Gale (1925) konnten bereits die Drehung der Erde nachweisen. Doch erst mit Beginn der Laser-Ära im Jahr 1960 wurden die Voraussetzungen für hochgenaue Rotationsmessung mit Ringlasern, wo der Wegunterschied zweier gegenläufiger Laserstrahlen durch die Drehbewegung ausgenutzt wird, geschaffen.

Schwankungen der Erdrotation werden allerdings erst sichtbar, wenn man ihre Messung auf ein Millionstel auflösen kann. Nach dem Test einiger Prototypen in Christchurch (Neuseeland) wurde der Wettzeller Großringlaser schließlich Ende der 90er Jahre gebaut. Nach 25 Jahren stetiger Verbesserung kann er mittlerweile die Erdrotation um ein Milliardstel auflösen und hält damit 3 Weltrekorde: unerreichte Stabilität, unerreichte Genauigkeit und unerreichtes Auflösungsvermögen. Das zeigt sich auch in zahlreichen Publikationen, u.a. in renommierten Fachzeitschriften wie "Nature" oder "Science".

Neben der Erdrotationsmessung ist der Großringlaser auch für die Seismologie, also Erdbebenkunde interessant. Damit lassen sich Rotationsanteile in Erdbebenwellen, die bisher kaum zu messen waren, genau studieren. Auch die Eigenschwingungen der Erde, die nach starken Erdbeben den Erdkörper wie eine Glocke schwingen lassen, können damit aufgezeichnet und analysiert werden. So lassen sich auch mit großen Ringlasern Erkenntnisse zum inneren Aufbau der Erde gewinnen.