Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit Atomuhren das Erdinnere vermessen

12.11.2012
Ultrapräzise portable Atomuhren stehen kurz vor dem Durchbruch. Bald kann mit Hilfe von Atomuhren der neuesten Generation das Erdinnere kartiert werden.

Das zeigt ein internationales Team, darunter Astrophysiker der Universität Zürich.


Voraussichtlich bereits 2014 soll mit ACES, Atomic Clock Ensemble in Space, ein erster hochpräziser Atomuhr-Prototyp, in das Raumlabor Columbus der Internationalen Raumstation ISS gebracht werden.

Bild: European Space Agency ESA, D. Ducros

Erzlagerstätten oder verborgene Wasservorkommen im Innern der Erde von der Oberfläche aus identifizieren? Ultrapräzise portable Atomuhren werden mithelfen, dass dies in den nächsten Jahren verwirklicht wird. Davon ist ein internationales Team um die Astrophysiker Philippe Jetzer und Ruxandra Bondarescu von der Universität Zürich überzeugt. Wie die Wissenschaftler zeigen, haben diese Atomuhren jetzt das erforderliche Mass an Präzision erreicht, um für geophysikalische Vermessungszwecke eingesetzt werden zu können. Neben der direkten Messung des Geoids – der wahren physikalischen Form der Erde – können solche Atomuhren in Zukunft für die Erkundung des Erdinnern eingesetzt werden.

Geoid bestimmen mit Hilfe der Relativitätstheorie

Heute kann das Geoid der Erde – der Fläche, auf der das gleiche Erdanziehungspotential herrscht – nur indirekt erschlossen werden. Ausgangswert für die Berechnungen bildet die Erdanziehung an der Oberfläche der Ozeane. Um das Geoid im Bereich der Kontinente zu berechnen, werden die relativen Abweichungen der Satellitenumlaufbahnen von der Ideallinie herangezogen und unter Berücksichtigung der tatsächlichen Höhe über Meer des überflogenen Orts aufwändig umgerechnet. Die verfahrensabhängigen Unsicherheiten sind dabei gross. Die geringe geografische Auflösung von ca. 100 Kilometern bringt zusätzliche Unschärfe in die Resultate.

Die Bestimmung des Geoids mit Hilfe von Atomuhren basiert auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und wird seit bald dreissig Jahren theoretisch diskutiert. Die Idee ist, dass Uhren, die sich in verschiedenen Distanzen zu einem massiven Körper und dessen Gravitationsfeld befinden, unterschiedlich schnell ticken. Je näher die Uhr beim Körper ist, desto langsamer läuft sie. Der Gangunterschied der beiden Uhren ist allerdings so gering, dass es bislang nicht möglich gewesen ist, die postulierte Zeitdifferenz tatsächlich zu messen. «Die ultrapräzisen Atomuhren der neusten Generation können die Zeitdifferenz zweier dreissig Zentimeter übereinander positionierter Uhren effektiv messen», erläutert Bondarescu und fügt an: «Damit rückt die Vermessung des Geoids der Erde in greifbare Nähe.»

Verlauf tektonischer Platten kartieren

Gemäss Bondarescu wird für die Bestimmung des Geoids eine ultrapräzise Atomuhr auf Meereshöhe platziert, d.h. auf der exakten Höhe des Geoids. Eine zweite solche Atomuhr wird an einen beliebigen Punkt auf dem Festland gebracht und mit der ersten Uhr über ein Glasfaserkabel synchronisiert. Die zweite Uhr wird langsamer oder schneller laufen – je nachdem, ob sie sich unter oder über dem Geoid befindet. Anhand der exakten Höhe über Meer des Messpunktes und der festgestellten Gangunterschiede sind Geophysiker anschliessend in der Lage, Aussagen über die Beschaffenheit des Untergrundes zu machen. Auf diese Weise kann der Verlauf tektonischer Platten, unterirdischer Wasservorkommen oder Erzlagerstätten kartiert werden.

Kartierungen bis in grosse Tiefen möglich

Kartierungen sind grundsätzlich bis in sehr grosse Tiefen möglich, vorausgesetzt die zu messende Struktur im Erdinnern und ihr Dichteunterschied zum Umgebungsmaterial sind ausreichend gross. Wie die Wissenschaftler numerisch aufzeigen, kann mittels ultrapräziser Atomuhren eine Struktur mit einer Ausdehnung von nur 1,5 Kilometern Durchmesser und einer geringfügigen Dichteanomalie von zwanzig Prozent in einer Tiefe von zwei Kilometern detekiert werden.

Zurzeit funktionieren ultrapräzise Atomuhren nur in Labors, d.h. sie sind nicht transportierbar und können entsprechend nicht für Messungen im Feld eingesetzt werden. Doch dies wird sich in den nächsten Jahren ändern: Bereits heute arbeiten verschiedene Unternehmen und Forschungsinstitute, darunter auch das in Neuchâtel ansässige Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique CSEM, an der Entwicklung von portablen ultrapräzisen Atomuhren. «Frühestens 2022 wird eine solch ultrapräzise portable Atomuhr an Bord eines ESA-Satelliten ins All fliegen», sagt Prof. Philippe Jetzer, Schweizer Delegierter der STE-Quest-Satellitenmission, deren Ziel es ist, die allgemeine Relativitätstheorie sehr genau zu prüfen. Bereits 2014 oder 2015 soll das «Atomic Clock Ensemble in Space ACES» zur Internationalen Raumstation ISS gebracht werden. ACES ist ein erster Prototyp, der allerdings noch nicht die Präzision von STE-QUEST hat.

Literatur:
Ruxandra Bondarescu, Mihai Bondarescu, György Hetényi, Lapo Boschi, Philippe Jetzer, Jayashree Balakrishna. Geophysical applicability of atomic clocks: direct continental geoid mapping. Geophysical Journal International. 24 August, 2012. DOI: 10.1111/j.1365-246X.2012.05636.x
Kontakt:
Dr. Ruxandra Bondarescu (Anfragen nur in englischer Sprache)
Institut für Theoretische Physik
Universität Zürich
Tel. +41 44 635 58 04
E-Mail: ruxandra@physik.uzh.ch
Prof. Philippe Jetzer
Universität Zürich
Institut für Theoretische Physik
Tel. +41 44 63 55819
E-Mail: jetzer@physik.uzh.ch

Nathalie Huber | Universität Zürich
Weitere Informationen:
http://www.uzh.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Blauer Phosphor – jetzt erstmals vermessen und kartiert
15.10.2018 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Materiezustände durch Licht verändern
12.10.2018 | Universität Hamburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Blauer Phosphor – jetzt erstmals vermessen und kartiert

Die Existenz von „Blauem“ Phosphor war bis vor kurzem reine Theorie: Nun konnte ein HZB-Team erstmals Proben aus blauem Phosphor an BESSY II untersuchen und über ihre elektronische Bandstruktur bestätigen, dass es sich dabei tatsächlich um diese exotische Phosphor-Modifikation handelt. Blauer Phosphor ist ein interessanter Kandidat für neue optoelektronische Bauelemente.

Das Element Phosphor tritt in vielerlei Gestalt auf und wechselt mit jeder neuen Modifikation auch den Katalog seiner Eigenschaften. Bisher bekannt waren...

Im Focus: Chemiker der Universitäten Rostock und Yale zeigen erstmals Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen

Die Forschungskooperation zwischen der Universität Yale und der Universität Rostock hat neue wissenschaftliche Ergebnisse hervorgebracht. In der renommierten Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten die Wissenschaftler über eine Dreierkette aus Ionen gleicher Ladung, die durch sogenannte Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Damit zeigen die Forscher zum ersten Mal eine Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen, die sich im Grunde abstoßen.

Die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den Professoren Mark Johnson, einem weltbekannten Cluster-Forscher, und Ralf Ludwig aus der Physikalischen Chemie der...

Im Focus: Storage & Transport of highly volatile Gases made safer & cheaper by the use of “Kinetic Trapping"

Augsburg chemists present a new technology for compressing, storing and transporting highly volatile gases in porous frameworks/New prospects for gas-powered vehicles

Storage of highly volatile gases has always been a major technological challenge, not least for use in the automotive sector, for, for example, methane or...

Im Focus: Materiezustände durch Licht verändern

Forscherinnen und Forscher der Universität Hamburg stören die kristalline Ordnung

Physikerinnen und Physikern der Universität Hamburg ist es gelungen, mithilfe von Laserpulsen die Ordnung von Quantenmaterie so zu stören, dass ein spezieller...

Im Focus: Disrupting crystalline order to restore superfluidity

When we put water in a freezer, water molecules crystallize and form ice. This change from one phase of matter to another is called a phase transition. While this transition, and countless others that occur in nature, typically takes place at the same fixed conditions, such as the freezing point, one can ask how it can be influenced in a controlled way.

We are all familiar with such control of the freezing transition, as it is an essential ingredient in the art of making a sorbet or a slushy. To make a cold...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

11. Jenaer Lasertagung

16.10.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2018

16.10.2018 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz in der Medizin

16.10.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Multiresistente Keime aus Abwasser filtern

16.10.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Pilz schlägt sich mit eigenen Waffen

16.10.2018 | Biowissenschaften Chemie

11. Jenaer Lasertagung

16.10.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics