Upload
others
View
8
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Die Vermessung der Welt mit Quanten und Relativität
Jürgen MüllerInstitut für Erdmessung
Leibniz Universität Hannover
Das ObjektDas Objekt
‚Messen‘Größe, Bewegung, Deformationen
‚Wiegen‘Massenverteilung und Massenveränderung
Die Vermessungsmethoden
Foto: istock, SZ
klimanet4kids.baden-wuerttemberg.de
Man braucht Erdmessungs-Experten
Satelliten erfassen das System Erde• global• mit vernünftiger Wiederholungsrate• zeitnah• gleichmäßig
GRACE
GOCE
Erdbeobachtung vom Weltraum aus
GNSS
Geodäsie (Höhensysteme, Geoid, Navigation, Schwere …)
Ozeanographie (Meeresströmungen, Wärmetransport, …)
Geophysik (Lithosphäre, tektonische Bruchzonen, Mantel-Plumes, …)
ESA
GOCE-Anwendungen
Ziel: Globales, statisches Schwerefeld mit maximaler räumlicher Auflösung
Eismassenverlust ca. 200-300 Gt/Jahr, beschleunigt?!
Eicker et al. 2013 Velicogna 2013
monatliche GRACE-LösungenTrend (linear + quadratisch)
2003 – 2012
Eismassenänderung in Grönland aus GRACE
Neue Satellitenmissionen
GRACE Follow-On mission 2017-2022
Olympisch„schneller“„höher“„weiter“
Geodätisch„feiner“„genauer“„länger“
GRACE-Follow On (2017-2024)
Laser Ranging Interferometer (LRI)Design: AEI Hannover
Laser-Interferometrie für Satellitengravimetrie
OPTIMA(Idee für GOCE-Nachfolger)
Instrument:LRI kombiniert mit optischem Gradiometer
Gravimetrische Messungen auf der Erdoberfläche
Integration
m m F r g
0
20 0
12
t
t t
r g r
r g r r
Absolutgravimeter: Frei-Fall-Messung (klassisch)
20 0
12i i i
z gt z t z
Integration
2
GMmmr r
rF r
0
0
dt
dt
rrr
rrr
… ebenso zur Berechnung einer Satellitenbahn
r
r
FG5X-220 an TU Clausthal, Institut für Geophysik
Dropping Chamber FG5X-220
Fahrstuhl mitPrisma Gegengewicht
Nacheiszeitliche Landhebung in Skandinavien
GRACE plus Absolutgravimetrie(Kampagnen 2003 bis 2008)
Reicht die vorhandene Technologie…… zur Vermessung der Welt?
3D Magneto-Optische Falle
Fallkammer
SpiegelVibrationsisolierung
Atomwolke
Laserstrahl
QuantengravimeterQuantengravimeter
Schilling, ife
Magnetisch unterstützte Laserkühlung
1. Strahlteiler
2. StrahlteilerDetektion der Zustände
Spiegel
Abschalten der Falle und freier Fall
∆Φ = Φ(0) − 2Φ(T) + Φ(2T) = −keff gT2
Atominterferometer - PrinzipAtominterferometer - Prinzip
Schilling, ife
AtominterferometrieAtominterferometrie
Rasel et al. 2013
• Materiewelle einer frei-fallenden Atomwolke wird geteilt, abgelenktund wieder kombiniert mithilfe von Laserpulsen
• Positionsinformation wird ‘eingeprägt’ in die Phase der Materiewellebei jeder Atom-Licht-Wechselwirkung
• Messung durch Auslesung der atominterferometrischen Phase
∆Φ = Φ(0) − 2Φ(T) + Φ(2T) = −keff gT2
Institut für Quantenoptik, LUH
QuantengravimeterQuantengravimeter
µGal in Stunden
Nutzung von Uhren fürs Schwerepotential(„relativistische Geodäsie“)
Wozu?• Neue Beobachtungsgröße für Höhen• Überwindung großer Distanzen und
Anbindung entfernter Gebiete• Alternative Höhenreferenz
Klassisch: Nivellement und Höhensysteme
Einrichtung eines Höhensystems:Nivellement + terrestrische Gravimetrie
In Germany: 30 908 km Nivellementslinien 287 Schleifen, 469 Knoten Erneuerung ~10 Jahre
Ozean-oberfläche
Geoid = Äquipotentialfläche
Erdoberfläche
BKG/IfE
HP: nivellierte Höhen
Höhenübertragung/Referenz mit Uhren?
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‘.
Idee der Relativitätstheorie
Uhren zur Schwerefeldbestimmung2
2 2
Eigenzeit, Lichtgeschwindigkeit,11 ,Geschwindigkeit, Gravitationspotential2
cd v Uv Udt c c
2
1
Geoid
Potentialänderung durch Gezeiten
1 m2/s2 ~ 10 cm
Differenz PTB zu MPQ/Garching
PTB Braunschweig, 2012
12
2
1d Wd c
Timmen, ife
1 2
2 1
d dfd df
W Schwerepotential
Dazu notwendig: gute optische Uhren
Sr lattice Uhr stabil Al+ Uhr reproduzierbar
Hybride Uhr:stabil & reproduzierbar
1E-18
1E-17
1E-16
1E-15
1 10 100 1000 10000 100000
Inst
abili
tät
Integrationszeit (s)
Ge-
zeite
nG
e-ze
iten
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
1E-18
1E-17
1E-16
1E-15
1E-14
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Äqu
ival
ente
Höh
e (m
)
Ung
enau
igke
it
Jahr
Cs Clocks
Optical Clocks
Optical Clocks PTB
Schmidt, PTB
Relativistische Frequenzänderung:
Es gilt:
Meeres-oberfläche
Geoid
ErdoberflächeUhr@Geoid
2,pW fH W cg f
1710 10 cmf H
Uhren zur Schwerefeldbestimmung
orbits• geocenter
coordinates
• geopotential models
• satellite orbits
• geocentercoordinates
Uhren basiertesHöhensystem 1 2
2 1
d dfd df
Gemeinsame Nutzung von Gravimetern und Uhren für die Geoforschung
G m G mUh h h
22
G m G mgh h h
12
2
1d Ud c
1
2
m
Bondarescu et al. 2012
h
h
~ m, h
Atomgravimeter Atomuhr
Erdoberfläche
Die neue Vermessung der WeltDie neue Vermessung der Welt
SFB-Sprecher: J. Flury
Geodäsie (+ Physik-Knowhow) tragen enorm zurErdsystemforschung 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
ZusammenfassungZusammenfassung
Schlüsselrolle der Geodäsie