Bundesamt für Kartographie und Geodäsie

Das supraleitende Gravimeter

Durch Gravimeter werden zeitliche Änderungen des Erdschwerefeldes erfaßt. In Federgravimetern wird die vertikale Position einer an einer Feder aufgehängten Probemasse gemessen. Beim supraleitenden Gravimeter (SG) wird durch eine supraleitende Spule ein Magnetfeld erzeugt, welches eine ebenfalls supraleitende Hohlkugel im Schwebezustand hält. Kräfte, die durch Beschleunigungsänderungen auf diese Probemasse wirken, werden durch ein Regelsystem kompensiert ("feed-back"). Die Ströme des Regelsystems werden kontinuierlich gemessen und hochauflösend digitalisiert. Mit der Beobachtung der zeitlichen Schwerefeldvariationen werden folgende Ziele verfolgt:

  • Hochgenaue Erfassung der Gezeiten der festen Erde zur Herleitung von Parametern, welche die elastische Antwort der Erde auf Gezeitenkräfte beschreiben.
  • Erfassung von Schwereänderungen als ein Bestandteil von Höhenänderungen, die durch geodätische Raumverfahren (VLBI, SLR, GPS) gemessen werden.
  • Erfassung von Schwereänderungen infolge der Polbewegung.
  • Detektion von seismisch induzierten Eigenschwingungen der Erde.
  • Detektion der Eigenmoden des Erdkerns.
  • Untersuchung von Krustendeformationen durch ozeanische und atmosphärische Auflast.

Bild zeigt das supraleitende Gravimeter SG-30 Supraleitendes Gravimeter SG-30 Supraleitendes Gravimeter SG-30

Bei dem Wettzeller Instrument handelt es sich um ein SG mit zwei individuellen Meßsystemen ("dual sphere superconducting gravimeter") der Firma GWR Instruments mit der Seriennummer 030. Das Gerät ist seit 07/2010 im neuen Gravimetergebäude in Betrieb. Das vorherige Gerät SG 029 war in Wettzell zwischen 11/1998 und 10/2010 im alten Gravimetergebäude in Betrieb. Das erste supraleitende Gravimeter in Wettzell, das SG103, lief zwischen 04/1996 und 09/1998. Wie alle SGs des BKG ist auch das Instrument in Wettzell Rahmen des "International Geodynamics and Earth Tide Service" (IGETS), vormals GGP, in ein weltweites Netz supraleitender Gravimeter eingebunden.

Eigenschaften

Supraleitende Gravimeter zeichnen sich durch eine sehr hohe Messauflösung von 0,1 nm/s2 und eine geringe instrumentelle Drift aus. Der niedrige Rauschpegel ist auf die Betriebsbedingungen nahe dem absoluten Nullpunkt und die fast vollständige Abschirmung des Sensors vor Umgebungseinflüssen wie Temperatur, Luftdruck und Magnetfelder zurückzuführen. Durch die Verwendung supraleitender Spulen, in denen nach einer Initialisierung Ströme dauerhaft und konstant fließen, wird eine hohe Langzeitstabilität erreicht. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, einen breiten Spektralbereich der Beschleunigungsänderungen mit hoher Auflösung zu erfassen. Das Spektrum reicht von den seismischen Eigenmoden der Erde mit Perioden ab 10 Minuten über die Erdgezeiten mit Perioden überwiegend im halb- und ganztägigen Bereich bis hin zur Variation der Zentrifugalbeschleunigung infolge der Polbewegung mit Perioden von 365 und 435 Tagen (Chandler-Periode).

Konstruktion

Das gesamte Gravimeter befindet sich in einem mit flüssigem Helium gefüllten Tieftemperaturgefäß ("Dewar"). Im Inneren des Gefäßes wird die Temperatur auf 4,2 Kelvin konstant gehalten. Durch ein Kühlaggregat im Kaltkopf wird permanent verdampftes Helium rekondensiert, so daß kein Nachfüllen von Helium erforderlich ist. Ein Gummibalg verhindert, daß Vibrationen von dem Kaltkopf auf das Gravimeter übertragen werden. Der Sensor selbst befindet sich in einem evakuierten Vakuumzylinder. Den Aufbau des Sensors zeigt eine Konstruktionszeichnung. Die Position der Probemasse, einer Niobkugel von 1 Zoll Durchmesser, wird durch eine kapazitive Brücke erfaßt. Drei entsprechende kugelsegmentförmige Kondensatorplatten umgeben die Kugel. Eine Feed-Back Spule hält die Kugel in Position. Der Spulenstrom ist proportional der Rückstellkraft und dient als Meßsignal. In einem DSG sind die beiden Sensoren im Abstand von 20 cm vertikal übereinander angeordnet. Jeder Sensor ist an einen Kupferzylinder thermisch angekoppelt, dessen Temperatur durch ein Ge-Thermometer und ein Heizelement konstant gehalten wird. Das Thermometer befindet sich zwischen beiden Sensoren im Bereich der Aufhängung, wo der Wärmefluß zwischen den Sensoren und dem Heliumbad am besten kontrolliert werden kann. Damit wird eine Temperaturstabilität von wenigen Mikrokelvin erreicht.

Die exakte vertikale Justierung beider Systeme erfolgt durch Seitenspulen. Zeitliche Abweichungen von der Lotrichtung werden durch zwei Vertikalpendel erfaßt. Diese Neigungen werden durch ein automatisches Kompensationssystem ausgeglichen, indem zwei der drei Aufstellungsfüße thermisch höhenverstellbar sind ("thermal levelers").

Datenzugriff

Daten sämtlicher supraleitender Gravimeter des IGETS sind am "Information System and Data Center" verfügbar.