Die Geodäsie ist die Wissenschaft von der Vermessung der Erdoberfläche. Aber ist nicht seit den Zeiten von Magellan und Humboldt die Welt bis in den letzten Winkel vermessen und beschrieben? Darüber und über die moderne Geodäsie sprechen wir mit Harald Schuh, Direktor des GFZ-Departments Geodäsie und Leiter der Sektion Geodätische Weltraumverfahren.
GFZ: Ist die Geodäsie als Wissenschaft heute noch relevant?
Harald Schuh: Die Geodäsie ist relevant, weil sich seit den Zeiten von Humboldt und Magellan viel verändert hat. Die Grundziele sind heute dieselben, aber wir haben – im Zeitalter der Satelliten und Computer, also seit etwa 60 Jahren – sowohl technisch als auch was die Messgenauigkeit anbelangt wahnsinnig viele neue Möglichkeiten. Wir können enorme Datenmengen auswerten, Billionen Rechnungen am Tag durchführen, kontinuierlich und in genäherter Echtzeit messen. Für viele neue Anwendungen, beispielsweise im Bereich der Erdbebenforschung, ist die Geodäsie damit als Wissenschaft elementar.
GFZ: Womit beschäftigt sich die Geodäsie?
Schuh: Eine klassische Aufgabe ist es, Punkte der Erdoberfläche mathematisch zu beschreiben. Neben der Vermessung der Erdoberfläche erforschen wir auch physikalische Eigenschaften der Erde, wie das Schwerefeld, also die Erdanziehung, und die Erdrotation mit der Polbewegung – der Nordpol, also der Durchstoßpunkt der Erdrotationsachse durch die Erdoberfläche, verändert seine Position jeden Tag um einige Zentimeter. Wichtig ist hier vor allem das Schwerefeld, das nicht überall auf der Erde gleich ausgeprägt ist. Nach ihm richtet sich beispielsweise Wasser aus und auch die Flugbahn eines Satelliten wird davon beeinflusst. Um sie zu bestimmen, muss ich wissen, mit welcher Stärke das Erdschwerefeld an welcher Stelle wirkt. In der modernen Geodäsie beschäftigen wir uns außerdem mit den uns umgebenden Himmelskörpern.
GFZ: Die Erde ist ein dynamischer Planet, die Erdplatten sind ständig in Bewegung und das mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Woran richtet man die Messungen aus?
Schuh: Die Erde ist weder Scheibe noch Kugel, sondern ein an den Polen abgeplattetes Rotationsellipsoid, weshalb wir uns die Frage stellen, wie wir Punkte der Erdoberfläche auf das Ellipsoid übertragen können. Änderungen eines Messpunktes kann ich nur bestimmen, wenn ich den Punkt in Bezug zu einem globalen Referenzrahmen setze. Für viele Zwecke zieht man immer noch das Ellipsoid heran. Aber daneben gibt es das Konzept des sogenannten kartesischen Koordinatensystems, eines dreidimensionalen Systems mit x-, y- und z-Achse, das wir durch die Erde legen. Das ist dann der globale Referenzrahmen, mit dem Zentrum der Erde als Ursprung des Koordinatensystems. So kann ich jeden Punkt auf der Erde mit seiner Lage in diesem Koordinatensystem genau angeben.
Bei Änderungen des Meeresspiegels will ich wissen, ist er gestiegen oder ist das Land abgesunken? Pegelmessungen liefern nur relative Änderungen zwischen Meeresspiegel und Festland. Außerdem dreht sich die Erde munter um ihre eigene Achse und es gibt die Polbewegung. Deshalb brauchen wir einen himmelsfesten Referenzrahmen außerhalb des Systems Erde. Den bekommen wir über die Radiointerferometrie.
GFZ: Die Radiointerferometrie ist eines ihrer Spezialgebiete. Was genau steckt dahinter?
Schuh: Das Verfahren der Very Long Baseline Interferometry, VLBI, zu Deutsch: Radiointerferometrie auf langen Basislinien, nutzen wir in der Geodäsie seit beinahe vierzig Jahren. Ursprünglich wurde es in den 1930er Jahren für die Astrophysik entwickelt, um so genannte Quasare oder Radiogalaxien in unendlich weiter Entfernung am Rande unseres Universums zu erforschen. Sie sind meist optisch nicht zu erkennen, die von ihnen ausgehende Strahlung lässt sich aber mit großen Radioteleskopen erfassen.
In den 1960er Jahren gab es den Vorschlag, für eine bessere Auflösung des Verfahrens zwei möglichst weit voneinander entfernte Radioteleskope zu verwenden und deren Daten zusammenzuführen. Recht schnell hat man dann erkannt, dass man damit auch deren Entfernung zueinander mit allerhöchster Genauigkeit bestimmen kann. Das war die erste geodätische Anwendung. Heute haben wir auf der Erde etwa 50 Radioteleskope, die als eigenes Referenznetz funktionieren.
GFZ: Welche Anwendung der Radiointerferometrie innerhalb der Geodäsie gibt es noch?
Schuh: Noch wichtiger für die Geodäsie ist, dass die Radioquellen, das sind Quasare oder Radiogalaxien, durch ihre quasi unendlich weite Entfernung zur Erde von der Erde aus sozusagen immer an derselben Stelle des Himmels zu beobachten sind und ihre Position nicht ändern. Sie liefern uns damit einen extrem stabilen und unveränderlichen Referenzrahmen am Himmel.
Durch diesen Bezug haben wir die Möglichkeit, Größen wie die unregelmäßige Erdrotation zu messen, also die Drehung der Erde um ihre Achse, die man mit Satelliten nicht bestimmen kann. Außerdem müssen zum Beispiel das Globale Positionsbestimmungssystem GPS und andere Globale Satellitennavigationssysteme, abgekürzt GNSS, alle drei Tage durch die per Radiointerferometrie bestimmten Werte neu berechnet und korrigiert werden.
GFZ: Darüber lassen sich dann auch Bewegungen an der Erdoberfläche bestimmen?
Schuh: Genau. Wir wissen heute, dass die Bewegungen der Erdplatten einige Millimeter bis hin zu acht Zentimetern pro Jahr betragen. Außerdem können wir Phänomene wie Vulkanausbrüche überwachen oder auch Veränderungen des Meeresspiegels. Global gesehen gab es in den letzten zwanzig Jahren einen Anstieg des Meeresspiegels um drei bis vier Millimeter pro Jahr. Davor war es nur etwa ein Millimeter. Diese scheinbar kleine Änderung können wir heute messen. Wir brauchen nicht hundert Jahre zu warten, bis der Anstieg so große Ausmaße annimmt, dass wir ihn problemlos erkennen.
Eine Herausforderung ist die Angabe von Höhen. Höhenangaben, die nur auf einer Beschreibung als Punkt auf einem Ellipsoid beruhen, sagen mir noch nichts darüber, wie sich verschiedene Punkte zueinander verhalten. Fließt Wasser zwischen ihnen? Bewegen sie sich aufeinander zu oder voneinander weg? Das muss ich beispielsweise beim Bau eines Kanals wissen.
GFZ: Dienen quasi-Echtzeitmessungen von Veränderungen der Erdoberfläche als Frühwarnsystem, beispielsweise bei Erdbeben?
Schuh: Wir unterscheiden zwischen der Beobachtung langfristiger Phänomene, wie Klimaänderungen oder der Plattentektonik, und den Echtzeitanwendungen. Unser Beitrag zu langfristigen Phänomenen ist deren Quantifizierung in Bezug auf einen stabilen Referenzrahmen. Beim Vulkanismus zum Beispiel entwickeln sich Ausbrüche meist über Tage oder Wochen vorher, das Magma steigt langsam hoch und führt zu Deformationen. Da geht es eher um Langzeitbeobachtungen, nicht um die Minute oder Sekunde.
Auf der anderen Seite stehen die Echtzeitanwendungen. Hier können wir zum Beispiel unmittelbar nach einem Erdbeben beurteilen, um wieviel sich die Landoberfläche durch das Beben verschoben hat. Waren das Zentimeter oder Meter? Wie hat sie sich verschoben, horizontal oder vertikal?
Bei dem Beben im Ozean vor Japan, das am 11. März 2011 die Nuklearkatastrophe von Fukushima ausgelöst hat, hat sich die Küstenregion horizontal um 3,70 Meter verschoben. Innerhalb von einer Minute! Und vertikal um 70 bis 80 Zentimeter! Das konnte man damals noch nicht so genau messen, sondern erst im Nachhinein rekonstruieren. Messungen innerhalb von Minuten oder gar Sekunden stehen uns erst seit wenigen Jahren und nur in wenigen Regionen der Erde zur Verfügung. Dort haben wir die Informationen zu den Bodenbewegungen in unter einer Minute vorliegen. Dadurch lassen sich kritische Systeme wie Kernkraftanlagen oder Elektrizitätswerke noch stoppen, bevor beispielsweise eine Tsunamiwelle anrollt. Oder es bleibt Zeit, um Staumauern zu schließen und die Bevölkerung zu warnen.
GFZ: Was sind Unterschiede zwischen VLBI, GNSS und GPS?
Schuh: Die VLBI ist das genaueste Messverfahren, da gehen wir bei globalen Messungen mittlerweile auf den Millimeter zu. Die Radioteleskope sind außerdem große Konstruktionen, nicht nur kleine Antennen wie beim GPS oder GNSS. Es gibt also keine Abweichungen in den Langzeitmessungen, wenn es schneit oder eine Antenne ausgetauscht wird und dann vielleicht einen Millimeter von der Vorgängerin abweicht.
GPS hat den Vorteil, dass es viel günstiger ist als VLBI, weshalb es mehr Stationen gibt. Regionale Deformationen kann man daher mit GPS extrem gut bestimmen. Aber global gesehen sind VLBI und das Satellite Laser Ranging, SLR, für das wir auch eine Station am GFZ betreiben, die wichtigsten Verfahren. Das SLR-Verfahren gibt es seit 1964 und es ist nach wie vor die genaueste raumgestützte geodätische Satellitentechnik.
GNSS ist ein übergeordneter Begriff, die bekannteste Anwendung ist das GPS, aber es gibt auch das russische Glonass, das europäische Galileo und das chinesische Beidou. Per Multi-GNSS werden beispielsweise verschiedene GNSS-Systeme verknüpft. Gemeinsam sind sie nicht nur für die Positionsbestimmung interessant, sondern erlauben eben auch das Vulkan- oder Erdbebenmonitoring oder werden im Schiffsverkehr oder Flugbetrieb eingesetzt.
GFZ: Gibt es zentrale Stationen, in denen alle weltweiten Messdaten zusammenlaufen?
Schuh: Ja, die internationale Zusammenarbeit ist sogar das Erfolgsgeheimnis. Dafür wurden in den letzten zwanzig Jahren die internationalen Dienste eingerichtet. Bei ihnen fließen alle Daten zusammen und alle Operationen werden geplant und organisiert.
Die VLBI zum Beispiel wurde Ende der 1970er, Anfang der 1980er Jahre zunächst sehr stark von der NASA dominiert. Alle Daten liefen dort zusammen. Zu der Zeit habe ich meine Doktorarbeit geschrieben und war danach Postdoc. Da lief die Zusammenarbeit auf Zuruf: Man hat bei der NASA angerufen und gefragt: „Habt ihr zu dem und dem Datum Lust, bei einer 24-Stunden Messsession mit der und der Zielrichtung mitzumachen?“.
Irgendwann sagte man sich: „So geht es nicht weiter. Wir müssen regelmäßig messen, die Daten zentral sammeln und wir brauchen eine zentrale Stelle zur gleichberechtigten internationalen Koordination“. Daraufhin wurde 1999 der internationale VLBI-Service gegründet, von dessen Lenkungsbeirat ich sieben Jahre Präsident war. Analog gibt es das für das Verfahren des SLR und für das GNSS, dessen International GNSS Service IGS der mit Abstand größte ist. Auch da sind wir als GFZ ein Analysezentrum.
Ich sage immer, viele wissen gar nicht, dass die GPS-Orbits nicht einfach so vom Himmel fallen, die müssen zuerst berechnet werden. Und wir sind eines von zehn Zentren weltweit, die GPS-Orbits bestimmen. Ohne dies wäre die Navigation oder die Punktbestimmung per GPS nicht möglich.
GFZ: Ergeben sich konkrete wirtschaftliche Nutzen aus diesen Diensten?
Schuh: Da gibt es ganz relevanten wirtschaftlichen Nutzen, wie das Flottenmanagement von Reedereien beispielsweise, wo die Routen der Schiffe oder LKW bestimmt werden müssen. Je besser die Fahrtwege berechnet sind, desto weniger Treibstoff wird verbraucht und Treibhausgas ausgestoßen und desto größer sind die Gewinne.
Oder das precision farming: Dabei berechnet der Landwirt beispielsweise, auf welcher Route er seinen Mähdrescher optimal über das Feld steuern muss, um Zeit und Treibstoff einzusparen oder auch um Dünger optimal zu verteilen. Da kommt es auf plus-minus dreißig Zentimeter exakter Spurhaltung an. Besonders in Ländern wie Australien oder den USA mit ihren riesigen Feldern ist das bedeutend.
Ein anderes Beispiel ist die Bestimmung von Parametern der Atmosphäre durch GPS oder VLBI. Beide Verfahren verwenden Wellen im Radiofrequenzbereich, die durch den Wasserdampf in der Atmosphäre abgelenkt werden. Anders als Luftdruck und Temperatur, ist der Wasserdampf schwer zu messen; gerade er ist aber wichtig für die Wettervorhersage.
Seit über zehn Jahren bestimmen wir so vor allem in Mitteleuropa systematisch den Wasserdampf, andere Länder sind noch nicht so weit, aber sehr interessiert. Seit etwa fünf Jahren geben wir die Daten an die Wetterdienste weiter, wo sie in die Wettervorhersage einfließen. Die Wettervorhersage hat sich damit um 30 Prozent verbessert, vor allem für regionale, kleinräumige Veränderungen. In Österreich beispielsweise gibt es viele Berge und in jedem Tal herrscht ein anderes Wetter. Da braucht man eine hohe räumliche Auflösung der Troposphärendaten.
Bessere Wettervorhersagen bringen für die unterschiedlichsten Bereiche einen wirtschaftlichen Nutzen, wiederum zum Beispiel in der Landwirtschaft: Wenn die Landwirtin weiß, dass morgen ein Unwetter naht, erntet sie besser heute schon, um wirtschaftliche Schäden zu vermeiden.
Es gibt eine Studie aus den USA, die sehr konservativ davon ausgeht, dass der jährliche wirtschaftliche Nutzen von GPS für die US-Wirtschaft 80 Milliarden US Dollar beträgt. Das kann aber nur als grobe Schätzung gelten, mit ein bisschen Fantasie kommt man schnell auf das Doppelte, da der Nutzen der Verfahren einfach sehr viele Bereiche beeinflusst. Global gesehen sind wir da sicher bei vielen hundert Milliarden, die eingespart oder zusätzlich generiert werden.
GFZ: Und in der Wissenschaft?
Schuh: Der Wasserdampf ist auch ein Treibhausgas, womit wir wieder bei den langfristigen Aufgaben der Geodäsie wären. Durch Messungen über zehn, zwanzig, dreißig Jahre, können wir Trends in Veränderungen des Wasserdampfs in der Atmosphäre erkennen - und zwar bis auf die saisonale Ebene. Viele GPS-Stationen bestehen schon seit zwanzig Jahren, für das Verfahren der VLBI gibt es die Stationen schon seit 35 Jahren, womit die Trends noch aussagekräftiger werden. Das ist dann Klimaforschung. Die stabil messenden VLBI-Stationen können als Ankerpunkte in globalen Klimamodellen fungieren.
GFZ: Was sind spannende aktuelle Entwicklungen, was kommt noch?
Schuh: Wir möchten natürlich am liebsten kontinuierlich messen. Es gibt ja Phänomene, die sich innerhalb weniger Stunden abspielen. Um beispielsweise die Alpentäler räumlich erfassen zu können, brauchen wir eine höhere Abdeckung mit GPS-Stationen. Die brauchen wir auch, um regionale Deformation nach einem Erdbeben wie dem in Japan möglichst gut bestimmen zu können. Das japanische GPS-Netz umfasst heute 1300 Stationen im Abstand von zehn bis zwanzig Kilometern auf der Hauptinsel.
GFZ: Diese Netzabdeckung würden Sie sich wahrscheinlich global wünschen.
Schuh: Genau (lacht). In Deutschland sind wir mit 400 GPS-Punkten auch schon nicht schlecht, aber die meisten anderen Länder sind deutlich schlechter abgedeckt. Die räumliche Abdeckung kann also noch verbessert werden.
Eine andere spektakuläre und für uns höchst interessante Entwicklung kommt aus der Experimentalphysik und ist eine technologische Entwicklung im Bereich der Quantentechnologie. Dort entwickelte neue Arten von Uhren sind nochmal um den Faktor Tausend genauer als Atomuhren, die ja auch schon extrem genau sind. Da kommt man in einen Genauigkeitsbereich der Zeitmessung von 10 hoch minus 18.
Mit diesen genauen Uhren haben wir ein ganz neues Verfahren zur Verfügung, um Höhenunterschiede messen zu können, was ja für uns in der Geodäsie etwas Grundlegendes ist. Dann lässt sich der Höhenunterschied zwischen dem Fußboden und der Oberseite eines Tisches mit zwei Uhren messen. Man stellt eine Uhr auf den Tisch und eine auf den Fußboden und kann berechnen: der Höhenunterschied beträgt genau 85 Zentimeter.
GFZ: …weil die Zeit mit der Gravitation zusammenhängt?
Schuh: Genau. Wie in der Relativitätstheorie beschrieben, ändert sich die Zeit durch den Einfluss der Gravitation. Objekte auf verschiedenen Höhen sind der Schwerkraft auf unterschiedliche Weise ausgesetzt. Dann gibt es neue Konzepte der optischen Interferometrie, die auch eingesetzt wurden, um Gravitationswellen nachzuweisen und die wir auch auf GRACE-Follow-on einsetzen werden, um die Entfernung von etwa 220 Kilometern zwischen den beiden Satelliten mit sub-Mikrometergenauigkeit messen zu können.
Aus der Quantentechnologie kommen außerdem so genannte Atomgravimeter, mit denen eine wesentlich höhere Messgenauigkeit für lokale Schweremessungen erreicht werden kann. Für uns in der Geodäsie ergeben sich gerade ganz neue und aufregende technische Möglichkeiten.
03.04.2017
Das Interview führte Ariane Kujau
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Veranstaltungshinweise:
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>>Vortrag: Von Humboldt zu dem Swarm-Satelliten – Erforschung des Erdmagnetfelds in Potsdam
