Schwerereferenzsysteme

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Gravimeter

Absolutgravimeter

Absolutgravimeter A10 (links) und FG5 (rechts)

Der freie Fall einer Testmasse wird mit hoher Genauigkeit aufgezeichnet. Um nicht-gravitative Störeinflüsse wie Luftwiderstand, Auftrieb etc. zu minimieren, bewegt sich die Testmasse in einer evakuierten Kammer. Die "absolute" Bestimmung der Schwerebeschleunigung ergibt sich aus der Verwendung von physikalischen Standards höchster Genauigkeit: einem Rubidium-Normal für die Zeitmessung und einem Jod-stabilisierten Laser für die Wegmessung. Mit dem Absolutgravimeter FG5 (Hersteller Micro-g LaCoste Inc., USA), das den momentan bestmöglichen technischen Entwicklungsstand repräsentiert, lassen sich unter günstigen Umgebungsbedingungen Messgenauigkeiten von ±20...30 nm/s² (±2...3 µGal) erreichen. Dies entspricht einer relativen Genauigkeit von ±2...3 x 0^-9. Das Absolutgravimeter A10 vom gleichem Hersteller mit einer Messgenauigkeit von ±100 nm/s² wird am BKG für Feldmessungen eingesetzt.

Absolutgravimetermessungen vervollständigen die geodätischen Bezugssysteme

• durch den Aufbau eines absoluten gravimetrischen Standards in einem erdgebundenen Referenzsystem,
• und ermöglichen den unabhängigen Nachweis vertikaler Punktverschiebungen oder Massenvariationen, die beispielweise durch tektonisch bedingte Bewegungen der Erdkruste, nacheiszeitliche Landhebungen oder Änderungen des Meeresniveaus verursacht werden.

Hierbei wird ein besonderes Gewicht auf die Kombination mit Nivellements und den geodätischen Raumverfahren (VLBI - Very Long Baseline Interferometry, SLR - Satellite Laser Ranging und GNSS - Global Navigation Satellite Systems) gelegt.

Supraleitende Gravimeter

Supraleitendes Gravimeter SG30 in Wettzell

Durch Gravimeter werden auch die zeitlichen Änderungen des Erdschwerefeldes erfasst. Während in herkömmlichen Relativgravimetern die Schwerebeschleunigung mit einer an einer Feder aufgehängten Probemasse gemessen wird, dient im supraleitenden Gravimeter (SG) das konstante Magnetfeld einer supraleitenden Spule als Vergleichskraft. Der Probekörper ist eine supraleitende Hohlkugel, deren Position in einem Regelsystem konstant gehalten wird. Der Strom in diesem Regelkreis wird kontinuierlich gemessen und hochauflösend digitalisiert. Supraleitende Gravimeter zeichnen sich durch eine sehr hohe Auflösung des Messsignals (<0.1 nm/s²) und eine geringe instrumentelle Nullpunktdrift aus. Durch die Verwendung supraleitender Spulen, in denen nach einer Initialisierung Ströme dauerhaft und konstant fließen, wird eine Langzeitstabilität erreicht, die geräteabhängig zwischen 0 und 50 nm/s² pro Jahr beträgt. 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) und zu langperiodischen Gezeiten mit einer Periodendauer von 18.6 Jahren.

Mit der Beobachtung der zeitlichen Schwerefeldvariationen werden folgende Ziele verfolgt:

• Hochgenaue Erfassung der Gezeiten der festen Erde zur Ableitung elastischer Parameter des Erdkörpers,
• Untersuchung der Attraktions- und Deformationswirkungen in Folge ozeanischer, atmosphärischer und hydrologischer Massenverlagerungen,
• Erfassung von Schwereänderungen infolge der Polbewegung,
• Detektion von seismisch induzierten Eigenschwingungen der Erde,
• Kontrolle des Schwerestandards durch Vergleiche und Kombination mit Absolutschweremessungen.

Eichplattform

Spindelblock der Frankfurter Gravimeter-Eichplattform

Die beim BKG entwickelte "Frankfurter Gravimeter-Eichplattform" nutzt künstlich erzeugte Beschleunigungen zur Kalibrierung von Relativgravimetern und wurde speziell für zur Untersuchung Supraleitender Gravimeter konzipiert.

Das Eichsystem besteht aus drei von Schrittmotoren angetriebenen Spindelböcken, mit deren Hilfe das zu testende Gravimeter in einer sinusförmigen Bewegung synchron angehoben und gesenkt werden kann. Abhängig von der Amplitude der Bewegung und ihrer Periodenlänge ergeben sich der Erdanziehung überlagerte künstliche Beschleunigungen mit wählbarer Amplitude und Frequenz. Da der Betrag der Beschleunigung und die Periodenlänge bekannt sind, lassen sich der Eichfaktor und die Frequenzübertragungsfunktion des Supraleitenden Gravimeters ableiten.