Quelle: ETH Zürich 15. Juli 2024.

15. Juli 2024 – Forschende der ETH Zürich haben in der bislang umfassendsten Modellierung – sowie mit KI-Methoden – zum ersten Mal die verschiedenen Ursachen der langfristigen Polbewegung vollständig erklären können. Ihr Modell und ihre Beobachtungen zeigen, dass Klimawandel und Erderwärmung einen grösseren Einfluss auf die Drehgeschwindigkeit der Erde haben als die Wirkung des Mondes, der seit Milliarden von Jahren die Zunahme der Tageslänge bestimmt.

Durch den Klimawandel schmelzen die Eismassen in Grönland und der Antarktis. Das Wasser aus den Polgegenden fliesst in die globalen Ozeane und vor allem auch in den Äquatorbereich. «Das heisst, es findet eine Massenverlagerung statt, und diese wirkt sich auf die Erdrotation aus», erklärt Benedikt Soja, Professor für Weltraumgeodäsie am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich.

«Man kann sich das so vorstellen, wie wenn eine Eiskunstläuferin bei einer Pirouette die Arme zuerst am Körper hält und dann ausstreckt.» Die anfänglich schnelle Drehung wird dadurch langsamer, weil die Massen sich von der Drehachse entfernen und die physikalische Trägheit zunimmt. In der Physik spricht man vom Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses, dem auch die Erdrotationsbewegung gehorcht. Dreht sich die Erde langsamer, werden die Tage länger. Der Klimawandel verändert somit auch die Tageslänge auf der Erde, wenn auch nur minimal.

Unterstützt von der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA haben ETH-Forschende aus Sojas Gruppe zwei aktuelle Studien in den Zeitschriften «Nature Geoscience» und «Proceedings of the National Academy of Sciences» (PNAS) veröffentlicht, wie sich der Klimawandel auf die Polbewegung und die Tageslänge auswirkt.

Klimawandel übertrifft den Einfluss des Mondes
In der PNAS-Studie zeigen die ETH-Forschenden, dass sich durch den Klimawandel auch die Tageslänge von derzeit rund 86400 Sekunden um einige Millisekunden erhöht. Denn Wasser fliesst von den Polen in niedrigere Breiten und verlangsamt dadurch die Rotationsgeschwindigkeit.

Eine andere Ursache für diese Verlangsamung ist die Gezeitenreibung, die vom Mond ausgelöst wird. Die neue Studie kommt dabei zu einem überraschenden Ergebnis: Wenn die Menschen weiterhin mehr Treibhausgase ausstossen, und sich die Erde dementsprechend erwärmt, hätte dies letztendlich einen grösseren Einfluss auf die Drehgeschwindigkeit der Erde als die Wirkung des Mondes, der seit Milliarden von Jahren die Zunahme der Tageslänge bestimmt. «Wir Menschen haben einen grösseren Einfluss auf unsere Erde als wir denken», schliesst Benedikt Soja, «und daraus resultiert natürlich auch eine grosse Verantwortung für die Zukunft unseres Planeten.»

Die Drehachse der Erde verschiebt sich
Die durch die Eisschmelze bedingten Massenverlagerungen auf der Erdoberfläche und im Erdinnern verändern aber nicht nur die Rotationsgeschwindigkeit und die Tageslänge der Erde: Wie die Forschenden in «Nature Geoscience» zeigen, verschieben sie auch die Rotationsachse. Das heisst, die Punkte, wo die Drehachse konkret auf die Erdoberfläche trifft, wandern. Diese Polbewegung können die Forschenden beobachten. Längerfristig liegt sie im Bereich von etwa zehn Meter pro hundert Jahre. Dabei spielen nicht nur das Abschmelzen der Eisschilde eine Rolle, sondern auch Bewegungen, die im Innern der Erde stattfinden. So kommt es tief im Erdmantel, in dem das Gestein durch den hohen Druck zähflüssig wird, über längere Zeiträume zu Verlagerungen. Und auch im äusseren Erdkern, der aus flüssigem Metall besteht, gibt es Wärmeströmungen, die einerseits das Erdmagnetfeld erzeugen, aber auch zu Massenverschiebungen führen.

Benedikt Soja und sein Team haben nun in der bisher umfassendsten Modellierung aufgezeigt, wie sich die Polbewegung aus den einzelnen Prozessen im Kern, im Mantel und durch das Klima an der Oberfläche ergeben. Ihre Studie ist jetzt in der Zeitschrift «Nature Geoscience» erschienen: «Wir präsentieren zum ersten Mal eine vollständige Erklärung für die Ursachen der langperiodischen Polbewegung», sagt Mostafa Kiani Shahvandi, Doktorand von Soja und Erstautor der Studie: «Wir wissen also jetzt, warum und wie die Rotationsachse der Erde relativ zur Erdkruste wandert.»

Eine Erkenntnis sticht in ihrer «Nature Geoscience»-Studie besonders heraus: dass die Prozesse auf und in der Erde miteinander verbunden sind und sich gegenseitig beeinflussen. «Der Klimawandel verursacht eine Bewegung der Erdrotationsachse und es scheint, dass sich durch die Rückkopplung der Drehimpulserhaltung auch die Dynamik des Erdkerns verändert,» erklärt Soja und Kiani Shahvandi ergänzt: «Der anhaltende Klimawandel könnte sich also sogar auf Prozesse tief im Erdinneren auswirken und weiter reichen als bisher angenommen.» Allerdings bestehe kaum Grund zur Sorge. Denn diese Auswirkungen seien gering und es sei unwahrscheinlich, dass davon eine Gefahr ausgehe.

Physikalische Gesetze kombiniert mit künstlicher Intelligenz
Für ihre Studie zur Polbewegung verwendeten die Forscher so genannte physikinformierte, neuronalen Netze. Das sind neuartige Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI), bei denen sich die Forschenden an physikalischen Gesetzen und Prinzipien orientieren, um besonders leistungsstarke und zuverlässige Algorithmen für maschinelles Lernen zu entwickeln. Unterstützung erhielt Kiani Shahvandi dafür von ETH-Mathematikprofessor Siddhartha Mishra, den die ETH Zürich 2023 mit dem Rössler-Preis, ihrem höchstdotierten Forschungspreis auszeichnete, und der ein Spezialist auf diesem Gebiet ist.

So konnten mit den von Kiani Shahvandi erstellten Algorithmen erstmals alle verschiedenen Effekte an der Oberfläche, im Erdmantel und im Erdkern erfasst und ihre möglichen Interaktionen modelliert werden. Das Ergebnis der Berechnungen zeigt, welche Bewegungen die Erdrotationspole seit 1900 zurückgelegt haben. Diese Modell-Werte stimmen hervorragend überein mit den realen Daten, die in der Vergangenheit astronomische Beobachtungen und in den letzten dreissig Jahren Satelliten geliefert haben, und ermöglichen so auch Prognosen für die Zukunft.

Wichtig für die Raumfahrt
«Auch wenn sich die Erdrotation nur langsam ändert, muss man diesen Effekt bei der Navigation im Weltraum berücksichtigen, beispielsweise wenn eine Raumsonde auf einem anderen Planeten landen will», sagt Soja. Denn auch eine Abweichung von nur einem Zentimeter auf der Erde kann über die riesigen Distanzen zu einer Abweichung von hunderten von Metern anwachsen. «Die Landung in einem bestimmten Krater auf dem Mars würde dann nicht klappen», sagt der Wissenschaftler.

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Wien 14. Juni 2024.

14. Juni 2024 – Ein Forschungsteam unter der Leitung von Philip Walther an der Universität Wien hat in einem bahnbrechenden Experiment die Auswirkungen der Erdrotation auf quantenverschränkte Photonen gemessen. Die Arbeit, die soeben in Science Advances veröffentlicht wurde, stellt einen bedeutenden Erfolg dar, der die Grenzen der Rotationsempfindlichkeit von verschränkungsbasierten Sensoren erweitert und möglicherweise die Grundlage für weitere Forschungen an der Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie bildet.

Optische Sagnac-Interferometer sind die empfindlichsten Geräte für Rotationsmessungen. Seit Anfang des vergangenen Jahrhunderts sind sie für das Verständnis der grundlegenden Physik von zentraler Bedeutung. Durch ihre hohe Sensitivität trugen diese experimentellen Werkzeuge schon vor über hundert Jahren etwa zur Begründung von Einsteins spezieller Relativitätstheorie bei. Heute sind sie aufgrund ihrer unvergleichlichen Präzision das ultimative Instrument zur Messung von Rotationsgeschwindigkeiten, das nur durch die Gesetzmäßigkeiten der klassischen Physik begrenzt wird.

Interferometer, die mit Quantenverschränkung arbeiten, haben das Potenzial, diese Grenzen zu sprengen. Liegt zwischen zwei oder mehreren Quantenteilchen eine Verschränkung vor, so ist nur ihr Gesamtzustand bekannt, während der Zustand der einzelnen Teilchen bis zu einer Messung unbestimmt bleibt. Diese Tatsache kann dazu genutzt werden, um mehr Information pro Messung zu erhalten, als dies ohne Verschränkung möglich wäre. Der versprochene Quantensprung in der Messempfindlichkeit wurde jedoch bisher durch die fragile Natur der Verschränkung behindert. Um diese Hürde zu umgehen, kam beim Experiment der Forschungsgruppe ein sehr stabiler und auf optischen Glasfasern basierender Sagnac-Interferometer mit einer effektiven Fläche von mehr als 700 Quadratmetern zum Einsatz. Auf diese Weise konnten genügend hochwertige verschränkte Photonenpaare beobachtet werden, um die Präzision der Rotationsmessung früherer quantenoptischer Sagnac-Interferometer um das Tausendfache zu übertreffen.

Beim Sagnac-Effekt kommen zwei Teilchen, die sich vom selben Startpunkt in entgegengesetzte Richtungen einer rotierenden, geschlossenen Kurve bewegen, zu unterschiedlichen Zeiten am Ausgangspunkt an. Bei zwei verschränkten Teilchen, wie sie in diesem Experiment verwendet wurden, wird es spukhaft: sie verhalten sich wie ein einziges Teilchen welches beide Richtungen gleichzeitig testet. Da es sich hier um einen sehr kleinen Effekt handelt, mussten die Forscher*innen die Länge ihrer zwei Kilometer langen Glasfasern, welche auf einer riesigen Spule aufgewickelt wurden, auf etwa ein Zehntel eines Nanometers konstant halten. Dies entspricht einer Längenänderung von circa einem Millimeter bei der durchschnittlichen Distanz der Erde zur Sonne.

Um die Auswirkung der Erdrotation auf quantenverschränkte Photonen zweifelsfrei zu messen, brauchten die Forscher*innen aber auch einen Vergleichswert – also das Verhalten der Photonen ohne den Einfluss der Erdrotation. „Wir können die Erdrotation aber natürlich nicht stoppen, einen guten Vergleichswert zu bekommen, war also eine echte Herausforderung. Wir haben die Glasfaser in zwei gleich lange Spulen aufgeteilt und diese über einen optischen Schalter miteinander verbunden“, erklärt der Hauptautor Raffaele Silvestri von der Universität Wien. Durch den Schalter wurde es möglich, die Rotationsrichtung nach Belieben auf der Hälfte des Weges umzukehren, sodass die Teilchen unabhängig vom tatsächlichen Rotationszustand immer zeitgleich am Ausgangspunkt ankommen. „Wir haben dem Licht im Grunde genommen vorgegaukelt, dass es sich in einem nicht rotierenden Universum befindet“, so Silvestri.

Mit dem Experiment, das im Rahmen des von der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften getragenen Forschungsnetzwerks TURIS durchgeführt wurde, konnten die Forscher*innen erfolgreich den Effekt der Erdrotation auf einen maximal verschränkten Zwei-Photonen-Zustand beobachten. Dies bestätigt die Wechselwirkung zwischen rotierenden Bezugssystemen und Quantenverschränkung, wie sie in Einsteins spezieller Relativitätstheorie und der Quantenmechanik beschrieben wird, im Vergleich zu früheren Experimenten mit tausendfacher Präzision. „Das ist ein bedeutender Meilenstein – ein Jahrhundert nach der ersten Beobachtung der Erdrotation mit Licht hat die Verschränkung einzelner Lichtquanten endlich die gleichen Empfindlichkeitsbereiche erreicht“, sagt Haocun Yu, die als Marie-Curie-Postdoktorandin an diesem Experiment gearbeitet hat. „Ich glaube, dass unser Ergebnis und unsere Methodik den Grundstein für weitere Verbesserungen der Rotationsempfindlichkeit von verschränkungsbasierten Sensoren legen werden. Dies könnte den Weg für zukünftige Experimente ebnen, die das Verhalten der Quantenverschränkung durch die Kurven der Raumzeit testen“, fügt Gruppenleiter Philip Walther von der Universität Wien hinzu.

Originalpublikation:
Experimental Observation of Earth’s Rotation with Quantum Entanglement.
R. Silvestri, H. Yu, T. Strömberg, C. Hilweg, R. W. Peterson, P. Walther. Science Advances, 2024.
DOI: 10.1126/sciadv.ado0215
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado0215

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Technische Universität München 8. November 2023.

8. November 2023 – Forschenden der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, die Rotation der Erde noch genauer zu messen. Mithilfe des Ringlasers am Geodätischen Observatorium in Wettzell lassen sich nun Daten erheben, die in ihrer Qualität weltweit einmalig sind. Die Messungen sollen neben der Positionsbestimmung der Erde im Weltall auch der Klimaforschung zugutekommen und Klimamodelle zuverlässiger machen. In die Entwicklung der Messanlage sind annähernd 20 Jahre an Forschungsarbeit geflossen.

Mal eben in den Keller gehen und nachsehen, wie schnell sich die Erde in den letzten Stunden gedreht hat? Am Geodätischen Observatorium Wettzell ist das nun möglich. Forschende der TUM haben den dortigen Ringlaser so verbessert, dass er tagesaktuelle Daten liefert – bislang war das in vergleichbarer Datenqualität nicht möglich.

Aber was misst der Ringlaser genau? Die Erde dreht sich auf ihrer Reise durch das Weltall nicht gleichmäßig schnell um die eigene Achse. Zudem ist die Drehachse des Planeten nicht fest, sondern kippt ein wenig. Das liegt daran, dass unser Planet nicht massiv ist, sondern aus unterschiedlichen, teils flüssigen, Bestandteilen besteht. Die Erde ist also in sich ständig in Bewegung. Diese Massenverschiebungen beschleunigen oder bremsen die Rotation. Diese Unterschiede lassen sich mit Messsystemen, wie dem Ringlaser der TUM, messen.

„Rotationsschwankungen sind nicht nur für die Astronomie wichtig, wir brauchen Sie auch dringend um Klimamodelle zu erstellen oder Wetterphänomene wie El Niño besser zu verstehen – je genauer die Daten, desto besser die Vorhersagen“, sagt Prof. Ulrich Schreiber, der das Projekt am Observatorium für die TUM geleitet hat.

Sensoren und Korrekturalgorithmus überarbeitet
Bei der Überarbeitung des Ringlasers, war dem Team wichtig, eine gute Balance zwischen Größe und mechanischer Stabilität zu finden. Je größer eine Anlage nämlich ist, desto empfindlicher kann sie messen. Allerdings leidet darunter die Stabilität und damit die Genauigkeit.

Eine weitere Herausforderung stellte die Symmetrie der beiden gegenläufigen Laserstrahlen dar – des Herzstücks der Anlage in Wettzell. Nur wenn die Wellenformen beider Strahlen nahezu identisch sind, kann eine genaue Messung stattfinden. Allerdings ist eine gewisse Asymmetrie bauartbedingt immer vorhanden. Durch ein theoretisches Modell für die Laseroszilllationen, ist es den Geodäten über die letzten vier Jahre hinweg gelungen, diese systematischen Effekte so weit zu erfassen, dass sie sich über einen langen Zeitraum genau berechnen lassen und so aus den Messungen herausgenommen werden können.

Anlage misst deutlich genauer
Durch diesen neuen Korrekturalgorithmus kann die Anlage die Erdrotation bis auf neun Stellen genau messen. Das entspricht einem Bruchteil von einer Millisekunde pro Tag. Bezogen auf die Laserstrahlen entspricht das einer Unsicherheit erst an der 20. Stelle der Lichtfrequenz und das stabil über mehrere Monate hinweg. Insgesamt erreichte das auf und ab der beobachteten Schwankungen Werte von bis zu 6 Millisekunden über Zeiträume von ca. 2 Wochen hinweg.

Mit den Verbesserungen am Laser sind jetzt auch deutlich kürzere Messperioden möglich. Die neu entwickelten Korrekturprogramme erlauben dem Team sogar, alle drei Stunden aktuelle Daten zu erfassen. Urs Hugentobler, Professor für Satellitengeodäsie an der TUM sagt: „Eine so hohe zeitliche Auflösung ist für einen eigenständigen Ringlaser in den Geowissenschaften ein Novum. Anders als bei anderen Systemen, agiert unser Laser völlig eigenständig und benötigt keine Referenzpunkte im Weltall. Diese werden bei konventionellen Anlagen über die Beobachtung der Sterne oder Daten von Satelliten erzeugt. Wir sind davon aber unabhängig und zudem auch noch äußerst präzise.“ Unabhängig von der Sternenbeobachtung gemessene Daten können helfen, systematische Fehler aus anderen Messmethoden zu identifizieren und auszugleichen. Vor allem bei hohen Genauigkeitsanforderungen, wie beim Ringlaser, helfen unterschiedliche Verfahren hier besonders akribisch zu arbeiten. Für die Zukunft stehen weitere Verbesserungen der Anlage an, um die Messperioden nochmals zu verkürzen.

Ringlaser messen Interferenzen zweier Laserstrahlen
Ringlaser bestehen aus einem geschlossenen, quadratischen Pfad der aus vier Spiegeln in einem festumschlossenen Cerankörper, dem sogenannten Resonator, besteht und somit seine Länge nicht durch Temperaturschwankungen ändert. Ein Gemisch aus Helium und Neon im Innern des Resonators ermöglicht die Anregung von Laserstrahlung, einmal im Uhrzeigersinn und einmal gegen den Uhrzeigersinn.

Jetzt kommt das entscheidende Element ins Spiel: Ohne eine Bewegung der Erde würde das Licht in beiden Richtungen die gleiche Strecke zurücklegen. Durch die Drehung der Apparatur ist die Strecke für einen Lichtstrahl kürzer, weil sich die Spiegel durch die Erdrotation gewissermaßen auf ihn zu bewegen. In die entgegengesetzte Richtung legt das Licht dagegen eine längere Strecke zurück. Zwischen den beiden Lichtwellen gibt es einen Frequenzunterschied. Dieser Unterschied verursacht eine Schwebungsfrequenz, die sehr genau gemessen werden kann. Je größer die Drehgeschwindigkeit der Erde ist, desto größer ist der Frequenzunterschied. Die Erde dreht sich am Äquator pro Stunde um 15 Grad nach Osten. Dies verursacht am Gerät der TUM ein Signal von 348,5 Hz. Tageslängenschwankungen zeigen sich mit Werten von 1 bis 3 Millionstel Hz (1 – 3 MikroHertz).

Der Ringlaser im Keller des Observatoriums in Wettzell hat je eine Seitenlänge von vier Metern. Die Konstruktion ist in einem massiven Betonpfeiler verankert, der wiederum in rund sechs Metern Tiefe auf massivem Fels der Erdkruste gegründet ist. Das sorgt dafür, dass ausschließlich die Erdrotation auf die Laserstrahlen wirkt und keine anderen Umwelteinflüsse eine Rolle spielen. Geschützt wird die Konstruktion durch eine Druckkabine. Sie registriert Änderungen des Luftdrucks und der Standardtemperatur von 12 Grad und steuert automatisch gegen. Um solche Einflüsse von vornherein gering zu halten, liegt das Labor in fünf Metern Tiefe unter einem künstlichen Hügel. In die Entwicklung der Messanlage sind annähernd 20 Jahre an Forschungsarbeit geflossen.

Publikation
Schreiber, K.U., Kodet, J., Hugentobler, U. et al. Variations in the Earth’s rotation rate measured with a ring laser interferometer. Nat. Photon. (2023). doi.org/10.1038/s41566-023-01286-x
https://www.nature.com/articles/s41566-023-01286-x

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• Planet Erde

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