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Die entscheidenden Nachkommastellen

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 04.08.2014 11:16

Die Anziehungskraft der Erde ist nicht überall gleich. Mögen ihre Unterschiede auch minimal sein, für die Wissenschaft sind sie von großer Bedeutung. Detaillierte Karten des Schwerefelds machen ein Verständnis von Geschichte und Gegenwart unseres Planeten erst möglich.

Aus vielen Satellitenaufnahmen zusammengesetztes Bild der Erde. (Bild: NASA)Die Erde ist eine Kugel. Zumindest auf den ersten Blick. Bei genauerer Betrachtung bzw. Messung ist zu erkennen, dass der Planet streng genommen eher als Ellipsoid bezeichnet werden müsste, ist sein Äquatorumfang bedingt durch die dort wirkende Zentrifugalkraft mit 40.075 Kilometern doch um rund 67 Kilometer größer als der Polumfang. Auch die Ozeane spannen sich nicht so gleichmäßig um den Planeten, wie man dies bei der Betrachtung von Satellitenfotos vermuten könnte. Vielmehr ist die Meeresoberfläche überzogen von ausgedehnten Buckeln und Dellen, die nicht auf die Gezeiten oder starken Seegang zurückzuführen sind.

Der Grund für dieses Phänomen läuft einer weiteren verbreiteten Annahme zuwider. Wurde zum Beispiel im Schulunterricht die Erdanziehungskraft zur Lösung einer Aufgabe benötigt, geschah dies mit dem Wert 9,81 m/s² – über die Jahre mag bei manchem so der Eindruck entstanden sein: Die Anziehungskraft auf der Erdoberfläche ist überall gleich groß. Dass dies nicht der Wahrheit entspricht, hat viele, ganz unterschiedliche Ursachen: Am Äquator etwa sorgt die erwähnte Zentrifugalkraft dafür, dass die Anziehungskraft etwas geringer ist als an den Polen.  Unterschiedliche Gesteinsdichten im Erdinneren haben ebenso Einfluss auf das so genannte Erdschwerefeld wie die Entfernung, die ein Objekt auf der Erdoberfläche vom Erdmittelpunkt entfernt ist – im Hochgebirge wird ein Bergsteiger weniger stark vom Erdkern angezogen als vor seinem Aufstieg im Tal.

Dennoch sind diese Unterschiede des Schwerefelds natürlich verschwindend gering, ein Mensch dürfte kaum wahrnehmen, dass er beispielsweise an den Polen 0,5 Prozent schwerer ist als am Äquator. Für die Wissenschaft kann die Bestimmung dieser Werte hingegen gar nicht genau genug sein. Aus minimalen räumlichen und zeitlichen Änderungen des Schwerefelds können Forscher heute Bewegungen der Kontinentalplatten, die Ursachen von Vulkanausbrüchen oder die Veränderung von Meeresströmen als Folge des Klimawandels ableiten. Durch die Lokalisierung von Rohstoffvorkommen, Untergrundanalysen im Vermessungs- und Bauwesen und eine Verbesserung von Navigation und Raumfahrt hat eine genaue Kenntnis des Schwerefelds auch direkten praktischen Nutzen.

Kursabweichung erwünscht

Um die Anziehungskraft der Erde mit der hierfür nötigen Präzision zu bestimmen, ist ein Perspektivwechsel von Nöten: Nur mit Hilfe von Satelliten ist es möglich, ein globales, einheitliches Bild des Schwerefelds zu erstellen. Kleinste Abweichungen ihrer Flugbahn geben Auskunft darüber, wie die Erde hunderte Kilometer unter den künstlichen Flugobjekten zusammengesetzt ist. Zur Bestimmung dieser Unregelmäßigkeiten erprobten Wissenschaftler bereits in zahlreichen Missionen verschiedene Ansätze. Mal wurde ein mit Reflektoren bestückter Kleinsatellit zur Distanzmessung mit Laserstrahlen beschossen, mal zeichneten so genannte aktive Satelliten ihre Position mittels GPS und Beschleunigungsmesser selbst auf. In der Mission GRACE wurden gleich zwei Satelliten in eine niedrige Umlaufbahn um die Erde geschossen. Der Clou: Nicht die Entfernung zur Erde wird bei GRACE bestimmt, sondern der Abstand der beiden Satelliten zueinander. Ändert sich dieser, ist klar, dass einer der Erdtrabanten stärker vom Planeten angezogen wird als der andere.

Das Blaue Heft "Das Schwerefeld der Erde" sorgt für ein grundlegendes Verständnis des Themas.Wie mit Hilfe ausgeklügelter Methoden die Schwerefelddaten der Erde von weitflächigen Näherungswerten zu engmaschigen Detailkarten verbessert werden konnten, darüber berichtet das Blaue Heft "Das Schwerefeld der Erde". In loser Folge erklärt das FuE-Programm GEOTECHNOLOGIEN in dieser Serie Inhalte seiner Forschungsschwerpunkte in allgemein verständlicher Sprache. Für ein grundlegendes Verständnis der Materie wird zunächst Basiswissen vermittelt bzw. aufgefrischt, im aktuellen Heft etwa zur Gestalt der Erde, Gravitation und den Keplerschen Gesetzen. Im Anschluss werden die Eigenheiten des Erdschwerefelds anhand von Grafiken und Bildern anschaulich erklärt, zum Beispiel dass selbst große Gebäude Einfluss auf die Gravitationsbeschleunigung der Erde haben oder warum unser Planet bei der Berechnung seines so genannten Geoids gewisse Ähnlichkeiten zu einer Kartoffel aufweist.

Das Blaue Heft „Das Schwerefeld der Erde“ steht sowohl als Online-Version wie auch zum Download bereit (11 MB, PDF).

RD, iserundschmidt 10/2013


Im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Forschungsschwerpunkts „Erfassung des Systems Erde aus dem Weltraum“ wurden von 2001 bis 2012 zahlreiche Projekte zur Schwerefeldbestimmung der Erde gefördert.

Die Erde im Visier“, eine von den GEOTECHNOLOGIEN konzipierte Wanderausstellung, erklärt die Alltagsrelevanz und die technischen Zusammenhänge von Satellitenmissionen einer breiten Öffentlichkeit. Die Ausstellung macht noch bis Februar 2014 in Zürich Station, bevor sie ab dem Frühjahr 2014 dauerhaft in Bochum zu sehen ist.