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Präzision vom Rande des Universums

Wer hätte gedacht, dass die Vermessung der Erde dann am exaktesten zu bewerkstelligen ist, wenn man Radiowellen vom Rande des Universums heranzieht? "Very Long Baseline Interferometry" ist ein Verfahren, in dem auch das Institut für Geodäsie und Geophysik der TU "mitmischt".

Abb. 1: schematische Darstellung des VLBI-Verfahrens

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Abb. 1: schematische Darstellung des VLBI-Verfahrens

Abb. 1: schematische Darstellung des VLBI-Verfahrens

Abb. 2 Kontinentaldrift: eine Station in den USA und eine in Deutschland bewegen sich auseinander

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Abb. 2 Kontinentaldrift: eine Station in den USA und eine in Deutschland bewegen sich auseinander

Abb. 2 Kontinentaldrift: eine Station in den USA und eine in Deutschland bewegen sich auseinander

Mehr als 12 Milliarden Lichtjahre liegen die Quasare entfernt, deren Radiowellen beim VLBI-Verfahren (zu deutsch: Radiointerferometrie auf langen Basislinien) gemessen werden. In Abb. 1 ist das Verfahren dargestellt: Die Radiowellen werden gleichzeitig von zwei entfernten Radioteleskopen aufgefangen. Beide zeichnen die Signale gemeinsam mit der exakten Zeit von Atomuhren auf Magnetbänder auf (aufgrund der großen Datenmengen ist eine Online-Übertragung - noch - nicht möglich, weil dazu Übertragungsraten von einem Gigabit pro Sekunde erforderlich wären). Beide Bänder werden an einen der weltweit drei "Korrelatoren" geschickt. Dort wird durch Vergleichen der Aufzeichnungen festgestellt, wie groß der Zeitunterschied ist, den dasselbe Signal benötigt hat, um nach der ersten auch die zweite Station zu erreichen. Mit dieser Information läßt sich dann der Abstand beider Stationen auf weniger als einen Zentimeter (!) genau bestimmen.

Exaktes Wissen um die Erde

Bei der Berechnung müssen freilich noch zahlreiche Störeinflüsse berücksichtigt werden. So werden die Radiowellen in der Atmosphäre "abgebremst". Gerade in der untersten Schicht, der etwa zehn Kilometer hohen Troposphäre, spielt sich unser Wetter ab. Die Laufzeitunterschiede liefern hier wichtige Informationen über das Erdklima. Auch zu berücksichtigen sind die Gezeiten. Diese gibt es nicht nur in den Meeren: das feste Land hebt und senkt sich ebenfalls. Mit bis zu drei Dezimetern ist dies bei der hohen Exaktheit der Messungen ein nicht zu vernachlässigender Faktor. Und schließlich sind auch die Rotationsschwankungen der Erde selbst zu berücksichtigen, die dazu führen, dass der Pol seine Lage ändert (Polbewegung) und die Länge eines Tages geringfügig variiert.

Die aus den VLBI-Messungen gewonnenen Ergebnisse sind äußerst aufschlussreich: In Abb. 2 ist festgehalten, wie sich die knapp 6.000 Kilometer Stationen in Westford (USA) und Wettzell (D) aufgrund der Kontinentaldrift um knapp zwei Zentimeter pro Jahr auseinanderbewegen. Die abnehmende Streuung der Grafik läßt den Fortschritt in der Messpräzision erkennen. Langfristige Klima- und Umweltentwicklungen sind aufgrund der hohen Genauigkeit der VLBI-Ergebnisse ebenfalls gut beobachtbar.

Darin liegt auch der wesentliche Unterschied zum populären GPS (Global Positioning System): dieses liefert schnell und kostengünstig Ergebnisse, aber relativ ungenau. Bei einem handelsüblichen "handheld" GPS-Empfänger sind mehrere Meter Abweichung in Kauf zu nehmen. Wenn zahlreiche GPS-Empfänger gleichzeitig eingesetzt werden, steigt zwar die Messgenauigkeit der Ergebnisse, aber systematische Verfälschungen können nicht ausgeschlossen werden. Die Aussagekraft der Messung über Erdsatelliten ist daher - in globalen, langfristigen Dimensionen - eingeschränkt.

Besondere Auszeichnung für die TU

Die Abteilung Höhere Geodäsie am Institut für Geodäsie und Geophysik der TU Wien ist im Dezember 2000 in den Kreis der IVS-Analysezentren aufgenommen worden, die sich mit der Analyse der gewaltigen Datenmengen auseinandersetzen. Der IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry) ist der weltweite Zusammenschluss jener Institutionen, die sich mit dem Verfahren der VLBI beschäftigen. Abteilungsvorstand Harald Schuh wurde Anfang dieses Jahres in das Directing Board des IVS gewählt, welches sämtliche Aktivitäten dieser internationalen Einrichtung koordiniert. Seinem Team an der TU wird vor allem die Analyse der Laufzeitunterschiede in der Troposphäre zufallen.