Atomuhren zur Messung des Erdgeoids vom Boden aus

Das Geoid der Erde ist die Form, die der Planet annehmen würde, wenn seine Oberfläche aus Wasser bestehen würde. Natürlich gibt es wenig Streit über die Form des Geoids über den Ozeanen, wo es aufgrund von Schwankungen der unterirdischen Dichte der Erde nur um etwa 100 Meter variiert.

Aber über Land ist das Geoid viel schwieriger zu lokalisieren. Physiker tun dies, indem sie die Höhe von Satelliten während ihrer Umlaufbahn messen. Anschließend verarbeiten sie die Daten, um die Form einer Oberfläche zu berechnen, die den globalen Meeresspiegel am genauesten wiedergibt. Diese extrapolieren sie dann auf die Kontinente.

Aber die Ergebnisse haben wichtige Einschränkungen. Erstens sind die Berechnungen intensiv und die Lösungen können mehrwertig sein, sodass eine subjektive Entscheidung getroffen werden muss, um einen bestimmten Wert zu wählen. Darüber hinaus haben die Ergebnisse eine räumliche Auflösung von etwa 400 km.



Auf den Kontinenten, wo es unzählige Dichteunterschiede in der Erdkruste und darunter gibt, reicht dies nicht aus, um viele wichtige geologische Formationen wie Flüssigkeitsreservoirs usw. zu erkennen.

Heute, Ruxandra Bondarescu von der Universität Zürich in der Schweiz, sagen ein paar Kumpel, dass es einen besseren Weg gibt, oder zumindest bald, basierend auf Atomuhren.

Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie sollten Uhren in unterschiedlichen Abständen von einem massiven Körper unterschiedlich schnell ticken; je näher es langsamer geht. Aber der Unterschied ist winzig, viel kleiner, als im Detail gemessen werden konnte. Bis vor kurzem.

Im Jahr 2010 nutzten Physiker diese Idee, um eine Höhenänderung von 33 cm zwischen zwei per Lichtwellenleiter verbundenen Uhren zu messen. Das sind mehr Details, um eine gute Vorstellung von der Form des Geoids zu bekommen.

Die Idee, sagen Bondarescu und Co, ist, eine Uhr auf Meereshöhe zu platzieren, wo sie genau auf der Höhe des Geoids sitzt. Der zweite Takt wird an einen Punkt im Landesinneren gebracht, wo er über eine Faser mit dem ersten synchronisiert wird.

Die zweite Uhr läuft dann schneller oder langsamer, je nachdem ob sie über oder unter dem Geoid liegt. Die Änderung der Taktrate zeigt genau an, um wie viel höher der zweite Takt über oder unter dem Geoid liegt.

Der Vorteil gegenüber Satellitenmethoden besteht erstens darin, dass sie viel genauer sind und zweitens, dass es sich um eine direkte Messung des Geoids an diesem Ort handelt und nicht um eine indirekte, die ausgiebig verarbeitet werden muss, bevor eine Antwort erstellt werden kann.

Es gibt natürlich Nachteile. Am bedeutsamsten ist, dass es Atomuhren mit der erforderlichen Genauigkeit nur im Labor gibt. Das soll sich in den nächsten Jahren ändern. Verschiedene Gruppen bauen tragbare Uhren mit beispielloser Genauigkeit.

Zum Beispiel arbeitet die Europäische Weltraumorganisation an einer Uhr mit einer Genauigkeit von einem Teil von 10^18, die für den Weltraumbetrieb entwickelt wurde. Ziel ist die Prüfung des Äquivalenzprinzips (sofern die Mission finanziert wird).

Bondarescu und Co. sagen, dass diese Art von Sensibilität alle Arten von Details unter der Oberfläche aufdecken wird. In einem numerischen Beispiel zeigen sie, dass die besten Uhren von heute in der Lage sein sollten, die Geoidstörung zu erkennen, die durch eine 1,5 km lange Radiuskugel mit 20 % Dichteanomalie in einer Tiefe von 2 km Tiefe in der Erdkruste verursacht wird.

Die Vermessung des Geoids mit Atomuhren ist natürlich keine neue Idee. Die Leute diskutieren seit zwanzig Jahren über die Möglichkeit. Der Zweck dieses Aufsatzes von Bondarescu und Co. ist es, die Tatsache hervorzuheben, dass Atomuhren, die genau genug sind, um diese Aufgabe zu erfüllen, jetzt im Einsatz sind und bald in freier Wildbahn sein werden.

In diesem Fall haben wir die Möglichkeit, das Geoid und die unterirdischen Strukturen, die es bestimmen, mit beispielloser Genauigkeit zu kartieren.

Ref: arxiv.org/abs/1209.2889 : Geophysikalische Anwendbarkeit von Atomuhren: Direkte kontinentale Geoidkartierung

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