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Schwerefeldbestimmung aus hochpräziser Zeitmessung

Schwerefeldbestimmung aus hochpräziser Zeitmessung

Leitung:  Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Müller
E-Mail:  mueller@ife.uni-hannover.de
Team:  Dr.-Ing. habil. Enrico Mai
Jahr:  2011
Förderung:  QUEST (Quantum Engineering and Space Time Research)
Ist abgeschlossen:  ja

Motivation

Quantenphysik und Relativitätstheorie spielen eine immer wichtigere  Rolle in der Geodäsie. Die klassische Geodäsie stützt sich jedoch bisher  weitgehend auf die Newtonsche Mechanik und deren Raum-Zeit- Auffassungen. Spätestens mit Beginn des Zeitalters künstlicher Erdsatelliten und deren Ausnutzung im Rahmen der physikalischen Geodäsie konnten die relativistischen Effekte nicht länger vernachlässigt werden.  Zudem verwenden moderne Messtechnologien zur Zeit- und Frequenzbestimmung mittels Atomuhren quantenphysikalische Vorgänge. Das metrische Feld des Systems Erde wird der zentrale Untersuchungsgegenstand der  zukünftigen Geodäsie sein.
Abb.1: Uhrenablesungen sind abhängig von Position im Gravitationspotential, Quelle: PTB-Mitteilungen, Special Issue, Vol. 119 (2009) No. 2.

Ziel

 

 

Abb.2: Herzstück einer optischen Atomuhr, entwickelt an der PTB, Quelle: PTB-Mitteilungen, Special Issue, Vol. 119 (2009) No. 2.

Die potentiellen Nutzungsmöglichkeiten verfügbarer Quantensensorik für geodätische Anwendungen soll untersucht werden. Dabei ist im Rahmen der physikalischen Geodäsie insbesondere die Verwendung  hochpräziser Zeit-  und Frequenznormale (optische Atomuhren, Frequenzkämme) zur Schwerefeldbestimmung in Kombination mit klassischen Schwerefeldfunktionalen interessant. Als Beitrag zum Exzellenzcluster QUEST soll die relativistische Geodäsie  (Potentialmessung mittels Uhren) befördert werden. Ein Anwendungsfall wäre  etwa die globale Vereinheitlichung nationaler Höhensysteme.

 

Verfahren

Die Bestimmungsgleichung zum Vergleich von Atomuhrablesungen ist abhängig vom Bewegungszustand der Uhren und ihren jeweiligen Positionen in einem Gravitationspotential. Deshalb sollten sich umgekehrt  durch Zeit- und  Frequenzvergleiche netzwerkartig verteilter Atomuhren diese Eingangsgrössen bestimmen lassen. Beispielsweise kann eine Geoidhöhenbestimmung im cm-Bereich  erfolgen, sofern (optische)  Atomuhren mit einer Genauigkeit von etwa  10^(-18) eingesetzt werden. Konkrete Beobachtungsmethoden bzw. Messverfahren  befinden sich in der Entwicklung.
Abb.3: Abweichungen nationaler Höhensysteme vom einheitlichen europäischen Nivellementssystem, Quelle: BKG Frankfurt bzw. PTB-Mitteilungen, Special Issue, Vol. 119 (2009) No. 2.
          

Fig. 4: Vergleich entfernter Frequenzstandards zwischen LUH und PTB mittels Glasfaser, Quelle: PTB-Mitteilungen, Special Issue, Vol. 119 (2009) No. 2.

 

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