Hannoversche Forscher erklären, warum die Füße jünger sind als der Kopf

Es klingt eigentlich unglaublich, was Professor Jakob Flury erzählt. Die Zeit vergeht langsamer, je näher wir dem Erdmittelpunkt sind. „Die Füße sind jünger als der Kopf, denn die Schwerkraft bremst“, meint der Wissenschaftler am Institut für Erdmessung der Leibniz-Universität. Allerdings: Diese Differenz im Vergehen der Zeit ist so unvorstellbar gering, dass sie in einem Menschenleben keinerlei Rolle spielt. Atomuhren in Erdnähe ticken langsamer: Für Forscher wie Flury sind die unmerklichen Verschiebungen dennoch von größtem Interesse. Denn mittlerweile lassen sich diese feinen Unterschiede mithilfe von Atomuhren sehr genau messen. „Uhren, die näher am Erdmittelpunkt sind, ticken etwas langsamer als weiter entfernte Uhren.“ Auch Flury musste sich an den Gedanken erst gewöhnen. Für Gravitationsforscher mögen das gängige Vorstellungen sein, für Vermessungsingenieure nicht. Doch die wollen sich das Phänomen nun nutzbar machen. Denn mit den Atomuhren lassen sich Höhenunterschiede künftig wesentlich präziser und nach einheitlichen Standards bestimmen. Das Ganze basiert auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. „Einstein hat aber nie geglaubt, dass diese Effekte auf der Erdoberfläche praktische Relevanz haben werden. Dass man so genaue Atomuhren baut, konnte er sich nicht vorstellen“, erzählt Flury. Höhenmessung am Meeresspiegel ist ungenau: Das Problem: Bisher beziehen sich Höhenmessungen immer noch auf den Meeresspiegel als Normalnull. Doch der weist in unterschiedlichen Weltregionen keineswegs das gleiche Niveau auf. Die Erde ist nicht glatt und rund wie eine Billardkugel, ihr Schwerefeld weist Dellen und Verformungen auf. „Auch der Meeresspiegel richtet sich nach der Schwerkraft und den Gesetzen der Ozeanzirkulation aus. Durch Berge am Meeresgrund und Gesteinsformationen mit unterschiedlicher Masse variiert das Schwerefeld“, erläutert Flury. Der Pegel am Mittelmeer unterscheidet sich deshalb vom Pegel an der Nordsee. Für Höhenmessungen gibt es zwar Vereinbarungen, auf die sich Nachbarländer teils verständigen. So gilt in Deutschland der Amsterdamer Pegel. Allerdings entstehen von Land zu Land Messunterschiede von bis zu 50 Zentimetern. Gründe sind die unterschiedliche Anwendung konventioneller Höhenmessverfahren, Messunsicherheiten und auch die Wahl unterschiedlicher Pegel als Bezugspunkte. Tests zwischen Paris und Braunschweig: Die Vermessung der Erde ist deshalb alles andere als einfach. Dafür fehlt ein einheitliches Welthöhensystem. Flury gehört zu einer Gruppe internationaler Experten, die das ändern wollen. Der 52-Jährige leitet gemeinsam mit Gérard Petit vom Bureau International des Poids et Mesures eine Arbeitsgruppe innerhalb der Internationalen Assoziation für Geodäsie. Es laufen bereits erste Experimente unter anderem mit Atomuhren in Paris, London und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Im Test erzeugen die Forscher über eine Atomuhr in Braunschweig eine optische Frequenz, übertragen sie durch ein 1400 Kilometer langes Glasfaserkabel nach Paris und messen sie dort noch einmal. „Wir bestimmen den Höhenunterschied der beiden Standorte aus der Lichtfrequenz und vergleichen das mit klassischen Messungen“, erklärt Flury. Wirkung des Klimawandels besser erfassen: Die Veränderungen der Erde durch den Klimawandel erfassen Wissenschaftler aktuell per Satelliten und Messpunkten auf der Erdoberfläche. Das funktioniert bereits viel exakter als in früheren Zeiten. Doch die Forscher wollen mehr. „Wenn in Grönland Eis verloren geht, hat das eine Vielzahl von Wirkungen. Das Land hebt sich leicht, Eismasse verteilt sich im Meer. Das verändert dann auch wieder das Schwerefeld.“ Der Meeresspiegel steigt global um 3,5 Millimeter pro Jahr, regional gibt es allerdings sehr große Unterschiede. „Das ist ein Grund, warum ein einheitlicher Bezugsrahmen so wichtig ist und wir an Verbesserungen arbeiten.“ Fernziel: Die exakte Vermessung der Erde: Die Forscher arbeiten jetzt zunächst an Konzepten für ein Netz mit optischen Atomuhren in Europa, Fernziel ist die Entwicklung eines weltweiten Höhenreferenzsystems. Heutzutage füllt eine Atomuhr allerdings noch ein kleines Labor. Transportable Versionen haben die Ausmaße eines Containers. „Wir gehen davon aus, dass die Uhren wesentlich kleiner werden“, sagt Flury. Auch Glasfaserverbindungen sind notwendig. „Für ein weltumspannendes Netz werden 50 Jahre ins Land gehen“, schätzt der Wissenschaftler. Doch mit einem europäischen Netz rechnet der Professor für Erdvermessung in den nächsten zehn bis 15 Jahren. Dass er daran eines Tages beteiligt sein würde, hatte sich der naturverbundene Schweizer am Ende seines Studiums nicht ausmalen können. Seine Doktorarbeit entstand einst beim Vermessen des Schwerefelds an der Zugspitze. Wegen der schwächeren Erdanziehung in der Bergwelt musste Flury seine Gravimeter dort neu eichen. Auch Waagen spielen dort verrückt. Doch zumindest gingen die Uhren damals nicht anders als im Flachland. Oder vielmehr berührten die unmerklichen Unterschiede den jungen Vermessungsingenieur zu diesem Zeitpunkt noch nicht. Studenten der Geodäsie und Geoinformatik erwarten nach Studienabschluss gute Berufschancen. Ingenieurbüros, Behörden, Raumfahrtagenturen und Klimaforschungsinstitute suchen Geodäten, die sich früher Landvermesser nannten. „Wir merken auf Fachmessen, dass unsere Absolventen sehr gefragt sind“, berichtet Professor Jakob Flury vom Institut für Erdmessung. Die Leibniz-Universität bietet Bachelor- und Masterstudiengänge. Im Studium geht es um Verfahren zur Vermessung und Beobachtung der Erde aus dem Weltraum, um die Kartierung und Quantifizierung von Auswirkungen des Klimawandels und um Technologien zu Navigation und Umweltrobotik. Lesen Sie auch: PTB Braunschweig forscht an einer Kernuhr für die exakte Bestimmung einer Sekunde Nasa zeichnet Wissenschaftler aus Hannover aus Exzellenzstrategie/Leibniz-Universität: Forscher suchen nach dem neuen Maßstab Von Bärbel Hilbig

Leibniz-Universität: Neuer Standard für Erdvermessung - Atomuhren ticken am Boden langsamer