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Mobile Atomuhr als Höhenmesser

Großes Potenzial für vereinheitlichte Messungen der Erdoberfläche

Mobile Atomuhr (PTB)

Der Verlauf der Zeit hängt von der Position des Betrachters in einem Gravitationspotenzial ab. Dieser Effekt kann für eine große Masse wie die der Erde durch den Vergleich hochgenauer Atomuhren gemessen und zur Bestimmung ihrer Höhendifferenz genutzt werden. Die transportable optische Strontiumuhr der PTB ermöglicht jetzt erstmals eine flexible Wahl des Ortes, an dem eine der Uhren betrieben wird.

Optische Atomuhren sind komplizierte Apparaturen und waren daher bis vor Kurzem nur in den Laboren einiger großer Forschungsinstitute zu finden. Indem man als Referenz einen mit sichtbarem Licht anregbaren („optischen“) Übergang im Atom nutzt, statt wie bei einer Cäsiumuhr einen Übergang mit Mikrowellen anzuregen, können deutlich höhere Genauigkeiten erreicht werden. Mit ihnen Höhenunterschiede von einem Zentimeter zu detektieren, ist in greifbare Nähe gekommen.

Für die erste Messkampagne wurde die mobile optische Strontiumuhr der PTB in ihrem PKW-Anhänger ins französische Modane Underground Laboratory (LSM) gefahren, das in der Mitte des Fréjus-Tunnels zwischen Frankreich und Italien liegt. Ein Team aus der PTB und dem englischen Metrologieinstitut NPL betrieb dort die Uhr und übermittelte ihre Frequenz über eine 150 km lange Glasfaserverbindung an das italienische Metrologieinstitut INRIM in Turin. Dort wurde die Frequenz der Strontiumuhr mit einer zweiten Atomuhr gemessen. Ein zweiter, späterer Vergleich beider Uhren am INRIM erlaubte die Bestimmung der Frequenzänderung der Strontiumuhr durch die Höhendifferenz zwischen LSM und INRIM von rund 1000 Metern. Es wurde eine relative Frequenzänderung von ungefähr 1 · 10–13 beobachtet. Diese lässt sich durch Multiplikation mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit in die zugrundeliegende Potenzialdifferenz überführen. Die genaue Differenz der Gravitationspotenziale hatten Wissenschaftler der Universität Hannover zuvor mit konventionellen geodätischen Messmethoden bestimmt. Die Ergebnisse beider Messungen waren konsistent.

Um in der Genauigkeit der neuen Methode kompetitiv zu etablierten Messmethoden zu werden, müssen noch Verbesserungen an der transportablen Uhr durchgeführt werden. Die Methode bietet aber das Potenzial, große Entfernungen ohne Genauigkeitsverluste mit hoher Ortsauflösung zu überbrücken. Derartig verbesserte Messungen des Gravitationspotenzials können helfen, Effekte wie die Verlagerung von Eismassen und allgemeine Massenveränderungen z. B. des Ozeanwassers genauer zu erfassen. Solche Daten sind z. B. für Modelle sehr wichtig, mit deren Hilfe man versucht, den globalen Klimawandel besser zu verstehen und Veränderungen vorherzusagen.


29.10.2018

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