Geodäsie

Die Kontinente driften hin und her. Die Erdkugel verändert ihre Form, und ihre Achse wackelt. All das macht es so schwer, den Planeten zu vermessen – wir brauchen aber exakte Daten, wenn wir dem Klimawandel standhalten wollen. Neue Messmethoden sollen helfen.

Die Erde ist ein Flummi: fliegt wie ein Gummiball durchs All, rotiert mal schneller, mal langsamer, verändert ständig ihre Form. Sie kippt zur Seite und richtet sich dann doch wieder auf.

Die Erde ist eigentlich sogar noch schlimmer als ein Flummi – denn auch ihre Oberfläche steht niemals still: Fortwährend schieben sich die Erdplatten über den Globus, steuern auf andere Kontinente zu, entfernen sich voneinander – und stellen Forscher vor ein großes Problem: Wie um alles in der Welt sollen sie diese Bewegung auf einem ohnehin schon bewegten Planeten messen? Wie können sie die Erde festnageln?

Ulrich Schreiber versucht das seit mehr als 20 Jahren. Er leitet das Geodätische Observatorium Wettzell im Bayerischen Wald – eine von weltweit nur sieben Stationen, die der Erde mit der ganzen Macht moderner Messtechnik zu Leibe rücken. In Schreibers Arsenal finden sich Laser, Mikrowellen, Radioteleskope. Er setzt sie ein, um die Bewegung der Erde im Detail zu erkennen. Er will mehr erfahren über die Veränderung des Planeten, über Klimawandel und steigende Meeresspiegel. Und nebenbei verbessert er das GPS-System, das Millionen von Menschen ans Ziel leitet. Schreibers Welt ist die Welt der Millimeter.

Alfred Wegener hatte solche Probleme noch nicht. Als der deutsche Geowissenschaftler im Jahr 1912 erstmals über wandernde Kontinente spekulierte, war das nicht mehr als eine fixe Idee. Begründen oder gar durch Messungen belegen konnte Wegener seine Überlegungen nicht – er hatte lediglich erkannt, dass die Kontinente wie Puzzleteile zusammenpassen. Entsprechend spöttisch reagierten seine Kollegen. Das änderte sich erst 40 Jahre später, als Tiefseeforscher entdeckten, dass sich mitten im Atlantik ein viele tausend Kilometer langer Graben auftut. Auf einmal war klar: Die Erdschollen streben auseinander, sie gleiten auf dem zähen Erdmantel wie auf einem geologischen Förderband. Wie schnell dieses Band läuft, blieb dennoch rätselhaft.

»Erst mit >Sputnik< hat sich die Situation grundlegend verändert«, sagt Ulrich Schreiber. Der Leiter des Wettzeller Observatoriums öffnet die Tür zu einem Serverraum, gut gekühlte Luft strömt ihm entgegen. Schreiber geht zu einem der vielen Computerschränke und zieht ein unscheinbares Gerät heraus, nicht größer als ein Taschenbuch: ein hochpräziser GPS-Empfänger. »Im Prinzip machen wir damit nichts anderes als das Navigationssystem in einem Auto«, sagt Schreiber.

Zur Freude der Geodäten umkreisen derzeit gut zwei Dutzend GPS-Satelliten den Planeten. Jeder sendet unablässig seine Position und die aktuelle Zeit zur Erde. Eine weiße Antenne, die aussieht wie ein etwas zu groß geratener Zuckerhut, fängt die Signale auf und leitet sie in den Serverraum. Dort beginnt die Rechnerei: Der unscheinbare Kasten ermittelt, wie viel Zeit zwischen dem Senden und Empfangen vergangen ist; daraus kann er, da sich die GPS-Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, den Abstand des Satelliten bestimmen. Kommen die Signale von mindestens vier Satelliten zusammen, lässt sich aus deren Schnittpunkten der exakte Ort der Antenne berechnen. »Während Geräte im Auto auf einige Meter genau arbeiten, kommen wir bei Längen- und Breitengraden auf Auflösungen von drei bis vier Millimetern«, sagt Schreiber, und der Stolz in seiner Stimme ist nicht zu überhören.

Möglich machen das mehrere Atomuhren, die im Observatorium vor sich hin schwingen. Die Zeitmesser sind so genau, dass sie in 300 Jahren um weniger als eine tausendstel Sekunde daneben liegen. Mit ihrer Hilfe können Schreiber und sein Team den Abstand der Satelliten exakt bestimmen. Die Geodäten belassen es aber nicht dabei. Sie versuchen, auch noch exakt herauszubekommen, wie viele der mehr als 100 Millionen Schwingungen die GPS-Mikrowellen auf ihrem Weg zum Empfänger gebraucht haben. Dadurch verbessert sich die Genauigkeit nochmals. »Das Ganze hängt allerdings in der Luft, wenn die Position des Satelliten nicht exakt bekannt ist«, sagt Schreiber.

Und hier beginnen die Probleme. Denn die Trabanten schlagen alles andere als eine saubere Kreisbahn ein: »Die Gezeitenkräfte, aber auch das von Ort zu Ort schwankende Gravitationsfeld der Erde wirken sich direkt auf die Bahnen der Satelliten aus«, sagt Jürgen Kusche vom Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn. Hügelige Bahnen sind die Folge, selbst das eine oder andere Schlagloch liegt auf dem orbitalen Weg. Mit Messungen und Modellrechnungen versuchen die Forscher, solche Abweichungen auszugleichen. Störend wirkt sich aber auch die Erdatmosphäre aus, deren geladene Teilchen die GPS-Signale je nach Tageszeit unterschiedlich stark abbremsen. »Das sind alles Fehlerquellen«, sagt Kusche.

Ulrich Schreiber hält dagegen – mit einer Laserkanone. Der Geodät betritt ein weißes Gebäude, das auch als Einfamilienhaus durchgehen würde. Im Esszimmer stehen die vier Monitore des Leitstandes. Im Schlafzimmer rattert ein wassergekühlter Laser. Dessen Licht fällt durch ein Loch in der Wand ins Wohnzimmer, wo Sender und Empfänger aufgebaut sind.

Wer die knarzende Holztreppe nach oben nimmt, landet allerdings nicht auf dem Speicher, sondern in der Kuppel eines Teleskops. Das schießt zehnmal pro Sekunde einen kurzen Laserblitz in den Himmel – genau dorthin, wo sich gerade ein Satellit befindet. Katzenaugen reflektieren einen Teil des Lichts ins Wettzeller Teleskop. Aus der Laufzeit der Laserpulse lässt sich die Entfernung des Ziels bestimmen. »Schuss für Schuss tasten wir so die Bahn der Satelliten ab«, sagt Ulrich Schreiber. Die Messdaten fließen in die Modelle der Satellitenbewegung ein. Sie helfen zudem, die Positionsangaben der GPS-Satelliten zu überprüfen und notfalls zu verfeinern.

Auch hier steht und fällt die Genauigkeit mit der Zeitmessung. Ein Fehler von einer milliardstel Sekunde macht bereits 30 Zentimeter Abweichung aus. Schreiber und sein Team wollen die Satellitenbahnen aber auf den Millimeter genau bestimmen.

Das funktioniert sogar bei hellstem Sonnenschein: Mit jedem Blitz schickt der grüne Laser eine Billiarde Lichtteilchen in den Himmel. Zehn bis 100 davon kommen zurück – genug für die empfindlichen Detektoren. Lediglich starke Bewölkung schluckt zu viel Licht, sodass keine Satelliten mehr anvisiert werden können.

Es ist nicht das einzige Problem. Satelliten haben die für Geodäten mitunter unangenehme Eigenschaft, dass sie stets um den Massenschwerpunkt eines Planeten kreisen. Im Fall der äußerst dynamischen Erde ist der aber alles andere als konstant. »Der Schwerpunkt des Erdsystems mit seinen Ozeanen und seiner Atmosphäre bewegt sich um einige Millimeter, vielleicht sogar einen Zentimeter«, sagt Jürgen Kusche. Von der Erdoberfläche aus betrachtet, scheint sich das Netz der Satelliten ständig zu verschieben. Hinzu kommt, dass auch die Erdachse hin und her wackelt – bis zu 15 Meter kann sich dadurch die scheinbare Position von Städten oder Straßen im Laufe eines Halbjahres ändern. Und nicht einmal die Rotation des Planeten ist gleichmäßig: Gezeiten, Stürme, Eis- und Schneeschmelze sorgen dafür, dass die Länge eines Tages um eine tausendstel Sekunde schwankt. Die Satelliten, die stur ihre Bahnen ziehen, bekommen davon nichts mit. Ein anderes Messverfahren muss her.

Im Bayerischen Wald haben sie dafür ein zweites Einfamilienhaus gebaut, ein paar Meter weiter auf dem gepflasterten Weg. Ein Panoramafenster gibt den Blick frei auf Wettzells wertvollste Waffe im Kampf gegen Ungenauigkeiten: ein 20 Meter großes Radioteleskop. Mit ihm nehmen die Geodäten Quasare ins Visier – Radiogalaxien, die bis zu 13 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sein können. »Die sind so weit weg, dass sie für irdische Verhältnisse unbeweglich am Himmel stehen«, sagt Ulrich Schreiber. Optimale Verhältnisse, um jedes Zucken der Erde zu registrieren.

Möglich wird das, weil Quasare unablässig ein charakteristisches Rauschen zur Erde schicken. Das Radioteleskop fängt dieses Signal auf und speichert es zusammen mit dem exakten Zeitpunkt der Beobachtung auf einer Festplatte. Acht Platten mit jeweils 200 Gigabyte Speicherplatz füllen sich so Tag für Tag in Wettzell. Von dort gehen die Daten auf große Reise. Sie landen in Bonn oder Washington, wo sie von Supercomputern mit Signalen verglichen werden, die ein zweites, möglichst weit entferntes Radioteleskop zur selben Zeit vom selben Quasar gemacht hat.

Die Rechner ermitteln, wie viel später die Radiowellen beim anderen Teleskop angekommen sind; aus der Differenz lässt sich über einfache trigonometrische Formeln der Abstand zwischen den beiden Teleskopen berechnen – bis auf wenige Millimeter genau. »Da wir mit vielen Teleskopen viele unterschiedliche Quasare beobachten, zurrt das die Figur der Erde sehr gut fest«, sagt Schreiber. Zudem liefern die Messdaten Informationen über die Rotation der Erde, die – von den Autofahrern unbemerkt – in die Bahnberechnung der GPS-Satelliten einfließen. Ohne solche Korrekturen könnte das Navigationssystem schnell um einige Meter danebenliegen.

»Jedes der drei Messverfahren hat seine Stärken, aber auch seine Schwächen«, sagt Jürgen Kusche. »Erst durch ihre Kombination können wir unsere Messungen immer weiter verfeinern und ein globales Bezugssystem schaffen.« Das ist auch nötig, schließlich wollen die Geodäten jede noch so kleine Veränderung der Erde erkennen. Zum Beispiel das Schwanken des Meeresspiegels: Als Folge der Erderwärmung steigt er, global gesehen, um derzeit drei Millimeter pro Jahr. Von der genauen Kenntnis dieses Wertes, aber auch von seiner künftigen Veränderung hängt ab, wie hoch die Deiche in hochwassergefährdeten Regionen gebaut werden müssen. »Das heißt, wir brauchen Bezugssysteme und Messergebnisse, die deutlich besser sind als diese drei Millimeter«, sagt Kusche.

Aber auch Alfred Wegeners Erdplatten können von genaueren Beobachtungen profitieren. Ulrich Schreiber kramt ein Blatt mit Daten hervor. Es zeigt den Abstand der Radioteleskope von Wettzell und Westford an der Ostküste der USA. Seit 1984 haben sich viele Messpunkte angesammelt, durch die die Geodäten eine Gerade gelegt haben. Ihre Steigung gibt die Driftgeschwindigkeit an: 18,3 Millimeter pro Jahr. »Wer aber sagt uns, dass das wirklich eine Gerade sein muss, dass also die Geschwindigkeit konstant bleibt?«, fragt Schreiber. Möglicherweise nimmt das Tempo auch zu. Oder ab. Oder die Bewegung der Platten kehrt sich um. Falls sich Europa und Nordamerika eines Tages wieder näher kommen, würde das nicht nur das Bild des Planeten verändern. Auch die Schwerpunkte der seismischen Aktivitäten könnten sich verschieben: In manchen Regionen würde das Risiko eines Erdbebens kleiner, in anderen deutlich größer. Es besteht aber auch die Hoffnung, dass die immer präzisere Vermessungstechnik eines Tages gestattet, Ausbrüche von Beben viel zuverlässiger als bisher zu prognostizieren.

Die neuen Erkenntnisse über die Kontinentaldrift lassen eine andere Sorge keimen: Könnten die dicken Datenkabel, die die Kontinente verbinden, eines Tages zu kurz werden? »Um das herauszubekommen, müssen wir entweder noch viele tausend Jahre messen oder unsere Daten extrem genau machen«, sagt Schreiber.

Dazu brauchen die Wettzeller Forscher noch präzisere Instrumente: Ein besseres Lasersystem wird bereits erprobt. Und auch das Radioteleskop soll ersetzt werden – durch zwei neue, hochpräzise Schüsseln. Hinter Ulrich Schreibers Büro sind die Bagger schon angerückt.