Warum den Weltraum mit Nanometern messen?

Hochauflösende Laser-Entfernungsmessung

Bei der Satelliten-Laserentfernung handelt es sich um eine Technik der Weltraumgeodäsie zur Messung der Entfernung zwischen einer Bodenstation und einem mit retroreflektierenden Reflektoren ausgestatteten Satelliten mit einer Genauigkeit von bis zu Nanometern. Das Prinzip basiert auf dem Senden eines Laserimpulses von einer Bodenstation. Dieser Impuls wird vom Satelliten reflektiert und kehrt zur Station zurück. Die mit Atomuhren gemessene Umlaufzeit ermöglicht die Berechnung der Entfernung durch Anwendung der Formel \(d = \dfrac{c \cdot t}{2}\), wobei \(c\) die Lichtgeschwindigkeit und t die gemessene Zeit ist.

Dank der hohen Stabilität gepulster Laser und Differenzmessungen in Kombination mit atmosphärischen Korrekturmodellen ermöglichen SLR-Systeme die winzige Erkennung von Abstandsänderungen bis in den Nanometerbereich, was für die Untersuchung der Plattentektonik, des mittleren Meeresspiegels oder sogar des Schwerefelds der Erde unerlässlich ist.

Extreme Präzision im Orbit: Licht wie ein Standardmessgerät

Warum Plattentektonik im Nanobereich messen?

Tektonische Bewegungen werden im Allgemeinen im Millimeterbereich pro Jahr gemessen. Viele kritische geophysikalische Prozesse wie langsames Gleiten, interseismische elastische Verformung oder Kopplung zwischen Platten erzeugen jedoch Verschiebungssignale mit sehr kleiner Amplitude, manchmal in der Größenordnung von wenigenDutzende Nanometer pro Jahr. Ohne äußerst präzise Instrumente sind diese Signale nicht erkennbar.

DortSatelliten-Laserentfernungsmessung(SLR) ermöglicht in Verbindung mit permanenten GNSS-Netzwerken die nanometergenaue Verfolgung der Positionen geodätischer Stationen auf der Erdoberfläche. Diese Präzision ist unerlässlich für:

• Quantifizieren Sie die Spannungen, die entlang aktiver Verwerfungen akkumuliert werden.
• Bewerten Sie das seismische Risiko mit realistischen mechanischen Modellen,
• Postseismische Effekte und viskoelastische Entspannung des Mantels messen,
• Beobachten Sie dielangsame Rutschen, unsichtbar für Seismographen, aber bedeutsam für die freigesetzte Energie,
• Verfolgen Sie die vertikalen Bewegungen der Lithosphäre im Zusammenhang mit Plattentektonik oder Isostasie.

In bestimmten Fällen, insbesondere in Subduktionszonen (wie in Japan oder Chile), kann sich die Erdoberfläche über mehrere Monate hinweg um nur wenige zehn Nanometer zusammenziehen oder ausdehnen. Es ist die verzögerte Analyse über Laser- und GNSS-Netzwerke, die es ermöglicht, diese langsamen und lautlosen Verformungen, mögliche Vorläufer schwerer Erdbeben, zu rekonstruieren.

Also,Plattentektonik im Nanometerbereich messenDabei geht es nicht nur um ein besseres Verständnis der Erddynamik, sondern auch um die Vorhersage von Katastrophen und die Verfeinerung der physikalischen Modelle des seismischen Zyklus.

Warum den Meeresspiegel im Nanomaßstab messen?

Nanometrische Präzision bei der Messung des mittleren Meeresspiegels ist kein technologischer Luxus, sondern eine wissenschaftliche Notwendigkeit. Der globale Meeresspiegel schwankt um etwa 3 bis 4 mm pro Jahr, ein bereits schwaches Signal, das oft durch größere lokale Schwankungen aufgrund von Gezeiten, Strömungen, atmosphärischem Druck oder Bodensenkungen verdeckt wird. Um die eigentliche klimatische Komponente zu isolieren, sind äußerst stabile Messungen erforderlich.

Herkömmliche Gezeitenmesser messen die relative Höhe des Meeres, diese wird jedoch verzerrt, wenn der Boden sinkt oder steigt. Aus diesem Grund muss die vertikale Position jeder Messstation mit einer Genauigkeit in der Größenordnung eines Millimeters oder sogar eines Millimeters bekannt sein.Nanometer. Ein systematischer Fehler von 1 mm/Jahr über ein Jahrzehnt führt in Klimamodellen zu einer Drift von 1 cm.

DortSatelliten-Laserentfernungsmessung (SLR)In Verbindung mit GNSS-Systemen ist es möglich, diese Verzerrungen zu korrigieren, indem der Abstand zwischen Bodenstationen und geodätischen Satelliten wie LAGEOS mit nanometrischer Präzision gemessen wird. Dies ermöglicht eine Feinkalibrierung des terrestrischen Geoids sowie eine bessere Bewertung der isostatischen, tektonischen oder gravitativen Effekte, die durch das Abschmelzen der Eiskappen entstehen.

In der Geophysik ist diese extreme Präzision auch wichtig, um langsame Verschiebungen tektonischer Platten zu erkennen, die postglaziale isostatische Anpassung (GIA) zu modellieren oder sogar echte ozeanische Signale von möglichen instrumentellen Drifts zu unterscheiden.Mit einem Nanometer zu messen bedeutet, sicherzustellen, dass der Millimeter zuverlässig ist.

Eine schlecht aufgelöste lokale Variation von einem Millimeter pro Jahr kann zu einem kumulativen Fehler von mehreren Zentimetern über ein Jahrzehnt führen, was Modelle von Küstenerosion, Überschwemmungen oder Klimaauswirkungen verzerren würde. Um diese Modelle zu korrigieren, ist es jedoch notwendig, die vertikalen Bewegungen der Referenzstationen präziser zu messen als das zu erfassende Signal. Daher ist bei Differentialbeobachtungen der Submillimeter- oder sogar Nanometerbereich erforderlich.

Warum das Gravitationsfeld der Erde im Nanometerbereich messen?

Das Gravitationsfeld der Erde ist weder konstant noch perfekt kugelförmig. Sie variiert räumlich und zeitlich aufgrund von Massenbewegungen: Umverteilung von atmosphärischem, ozeanischem und unterirdischem Wasser, Abschmelzen von Gletschern, Mantelkonvektion oder Verformung der Kruste. Obwohl diese Variationen gering sind, sind sie von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der inneren Dynamik der Erde und des Austauschs zwischen den verschiedenen Hüllen.

Danke an dieSatelliten-Laserentfernungsmessung (SLR)ist es möglich, die Umlaufbahnen geodätischer Satelliten wie LAGEOS oder Starlette mit äußerster Präzision zu bestimmen. Die Gravitationsstörungen, die ihre Flugbahn verändern, ermöglichen dann Rückschlüsse auf die Massenverteilung auf dem Planeten. Winzige Geschwindigkeits- oder Höhenänderungen in der Größenordnung vonNanometer pro Sekundewerden zu sensiblen Indikatoren dieser Umverteilungen. Diese Maßnahmen ermöglichen:

• Modellieren Sie dieGeoidzentimetergenau über die gesamte Erdoberfläche,
• Überwachen Sie das Abschmelzen der Eiskappen und seine gravitativen Folgen,
• Beobachten Sie die Entwicklung großer Grundwasserspiegel oder hydrografischer Becken.
• Korrekte Satellitenhöhenmessungen zur Bestimmung des absoluten Meeresspiegels,
• Testen Sie grundlegende Theorien wie das Äquivalenzprinzip oder die allgemeine Relativitätstheorie.

Mit Schwerkraft-Satellitenmissionen wieANMUTUndGRACE-FOErgänzt durch Lasertelemetrie erreicht die zeitliche und räumliche Auflösung des Schwerefeldes der Erde ein neues Niveau. Der nanometrische Beitrag des SLR ist für die Kalibrierung dieser Missionen von entscheidender Bedeutung und ermöglicht die Erkennung von Massenschwankungen von weniger als einigen Gigatonnen, was dem Wasserinhalt eines großen Sees entspricht.

Also,Messen Sie das Gravitationsfeld der Erde mit einem NanometerZiel ist es, die innere Dynamik des Planeten zu durchdringen und die fragilen Gleichgewichte der Hydrosphäre und der Kryosphäre mit beispielloser Finesse zu überwachen.

Gravitationsanwendungen auf die Relativitätstheorie

Satelliten wieLAGEOSsind mit Retroreflektoren bedeckte Aluminiumkugeln, die speziell für die Laserentfernungsmessung entwickelt wurden. Sie befinden sich auf einer durchschnittlichen Umlaufbahn von etwa 5.900 km und dienen als Trägheitsreferenzpunkte. Durch die Beobachtung ihrer Flugbahnen mit äußerster Präzision können Forscher lokale und globale Gravitationsanomalien erkennen, Variationen im Trägheitsmoment der Erde untersuchen oder sogar testenFrame-Drag-Vorhersageder Allgemeinen Relativitätstheorie, wie die Mission Gravity Probe B gezeigt hat.

Testen der fundamentalen Gravitation mittels Satelliten-Laserentfernungsmessung

DortSatelliten-Laserentfernungsmessungbeschränkt sich nicht nur auf geophysikalische Beobachtungen: Es wird zu einem hochmodernen Werkzeug zur Erforschung der Grundlagen der Schwerkraft. Tatsächlich ermöglichen ultrapräzise Messungen von Umlaufbahnen die Untersuchung, ob die Newtonsche Gravitation oder die allgemeine Relativitätstheorie in der terrestrischen Umgebung uneingeschränkt gültig sind. Eine der Säulen dieser Überprüfung ist dieschwaches Äquivalenzprinzip, die postuliert, dass alle Körper unabhängig von ihrer Masse oder Zusammensetzung mit der gleichen Beschleunigung in einem Gravitationsfeld fallen.

Durch Beobachtung der Flugbahn vonzwei Satelliten unterschiedlicher Masse, aber in ähnlichen Umlaufbahnen platziert, kann eine Laserentfernungsmessung möglich seinDifferenzielle Abweichungen. Wenn einer der Satelliten mehr oder weniger beschleunigt als der andere, würde dies nach Korrektur nichtgravitativer Effekte (Strahlungsdruck, Luftwiderstand usw.) auf aVerstoß gegen den Äquivalenzgrundsatz, was physikalische Phänomene jenseits der Allgemeinen Relativitätstheorie beinhalten würde.

Diese groß angelegten Experimente können auchBeschränken Sie den Wert der Gravitationskonstante \(G\), bekanntermaßen schwierig im Labor genau zu messen. Wenn die mittels Laserentfernungsmessung gemessenen Umlaufbahnen systemische Anomalien aufweisen, die auf einen leicht unterschiedlichen Wert von \(G\) zurückzuführen sind, würde dies ein unabhängiges Maß für diese Grundkonstante liefern.

Darüber hinaus sind bestimmte Modelle aus derQuantengravitationoder alternative Theorien (wie Tensor-Skalar-Theorien, massive Gravitationsmodelle oder sogar dilatonische Effekte) sagen leichte Korrekturen der Gravitationskraft voraus, die durch nanometrische Orbitalmessungen erkennbar sind.

Daher sind Missionen, die Lasertelemetrie integrieren, wie zLARES, MICROSCOPE oder zukünftige Satelliten vom Typ STEP(Satellitentest des Äquivalenzprinzips) zielt darauf ab, die Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie auf eine beispiellose Präzision zu bringen. Die Spiegelreflexkamera wird dann zu einer echtenOrbitallabor für fundamentale Schwerkraft.

Auf dem Weg zur nanometrischen Präzisionsgeodäsie

Mit der Entwicklung fortschrittlicher optischer Technologien, ultraschneller Empfänger und Nachbearbeitungsalgorithmen mithilfe künstlicher Intelligenz erreicht die Laserentfernung heute eine Auflösung, die es ermöglicht, Positionsänderungen auf der Erde mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich zu erkennen. GNSS-Systeme können mithilfe von SLR-Stationen in Echtzeit neu kalibriert werden, wodurch globale geodynamische Modelle verbessert werden. Durch die Kombination dieser Daten mit denen von Gravitationsinterferometern oder Höhenmessersatelliten (wie Jason-3 oder Sentinel-6) wird die Erdphysik zu einem Labor unter freiem Himmel.

Die Zukunft der Lasertelemetrie hängt auch von Netzwerken zwischen Satelliten ab, wie sie beispielsweise im LISA-Programm (Laser Interferometer Space Antenna) vorgesehen sind, das Laserstrahlen verwenden wird, um Gravitationswellen zwischen mehreren Geräten in der Sonnenumlaufbahn mit einer Genauigkeit in der Größenordnung eines Pikometers direkt zu messen. Diese Messungen, die weit über die einfache Bahnverfolgung hinausgehen, werden neue Türen zur Präzisionskosmologie öffnen.