20.06.2007 · Die Frage, wo der Mittelpunkt der Erde liegt, scheint nur auf den ersten Blick trivial zu sein. Wie sich dabei Veränderungen auf die Positon des Zentrums auswirken, hat nun Donald Argus vom Jet Propulsion Labor der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa in Pasadena (Kalifornien) eingehender untersucht.
Von Horst Rademacher
© JPL/Nasa
Abweichungen vom Erdschwerefeld (stark überhöht)
Der Mittelpunkt der Erde, so steht es in jedem Erdkundebuch, liegt ungefähr 6371 Kilometer tief unter unseren Füßen. Dass das für die Küstenbewohner in Cuxhaven oder Rostock gelten mag, aber nicht für die Alpenbewohner in Oberstdorf oder Berchtesgaden, ist leicht einsichtig. Um die Effekte der Topographie auszugleichen, die zwischen dem Toten Meer – dem tiefsten Punkt der Erdoberfläche – und dem Gipfel des Mount Everest immerhin mehr als neun Kilometer ausmachen, haben Forscher das Geoid erfunden.
Diese gedachte glatte Fläche entlang des Meeresspiegels beschreibt die Oberfläche einer „idealen“ Erde. Aber selbst das Geoid hat nicht die Gestalt einer Kugel, sondern eher die Form einer schrumpeligen Kartoffel. Wo der Mittelpunkt des Geoids genau liegt, lässt sich mit Kugelfunktionen berechnen. Voraussetzung ist allerdings, dass man ein festes Referenzsystem hat, in dem man das Geoid definieren kann. Wie sich dabei natürliche Veränderungen auswirken, hat nun Donald Argus vom Jet Propulsion Labor der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa in Pasadena (Kalifornien) eingehender untersucht.
Lange Zeit wurden die genauesten Beschreibungen des Geoids aus detaillierten Vermessungen der Bahnen der geodätischen Satelliten vom Typ „Lageos“ hergeleitet. Bei diesen Satelliten handelt es sich vereinfacht beschrieben um verspiegelte Kugeln. Eine Reihe von Forschungseinrichtungen sowie die amerikanische Luftwaffe betreiben Messstationen, von denen aus die jeweilige Bahnhöhe der Lageos-Satelliten mit Laserstrahlen gemessen werden kann. Die Abweichungen dieser Bahnen von der theoretisch geforderten Ellipse, die sogenannten Undulationen, spiegeln die Dellen und Beulen des Geoids.
Mittelpunktsbestimmung mit Quasaren
Daneben gibt es eine Reihe anderer Verfahren, mit denen sich das Geoid vermessen lässt. Frankreich zum Beispiel betreibt ein weltweites Netz von Stationen, die die Frequenzen der von Satelliten ausgesandten Radiosignale analysieren und daraus deren Bahnen berechnen. Die astronomische Interferometrie mit Radioteleskopen stützt sich auf weit entfernte Quasare als Referenzsystem. Hinzu kommen die Messungen der GPS-Satelliten. Aus den verschiedenen mit diesen Verfahren gewonnenen Sätzen von Messdaten haben Geowissenschaftler das „Internationale Terrestrische Referenzsystem“ (ITRF) entwickelt. Alle paar Jahre wird diese Basis für die Beschreibung der Figur der Erde einschließlich der Lage ihres Mittelpunktes neu berechnet.
Vergleicht man die jeweilige Lage des Erdmittelpunktes in den verschiedenen Messdaten-Sätzen und Modellen miteinander, ergeben sich Unterschiede von mehreren Millimetern, wie Argus jetzt im „Geophysical Journal International“ (Bd. 169, S. 830) berichtet. Außerdem ist die Position des Erdmittelpunktes keineswegs konstant. Aufgrund der langsamen, mit der Plattentektonik zusammenhängenden Massenbewegungen im Erdinneren, der ständigen Bewegung der Ozeane und der Luft in der Atmosphäre sowie der Eismassen in hohen Breiten verändert er seine Lage bis zu 1,8 Millimeter pro Jahr.
Was ist der Erdmittelpunkt eigentlich?
Um die Lage des zentralen Punktes des Geoids, also dessen Schwerpunkt, genauer als bisher bestimmen zu können, hat Argus die Definition des Begriffs „Erdmittelpunkt“ eingeschränkt. In die bisherigen Berechnungen gingen sowohl alle Gesteinsmassen auf und in der Erde ein als auch die Eismassen der Antarktis und Grönlands sowie die Ozeane und die atmosphärischen Luftmassen. Der kalifornische Forscher beschränkte sich nun auf die Berechnung der Position des Massenmittelpunktes der festen Erde. Indem er die mit den verschiedenen Verfahren gesammelten Messergebnisse neu bewertete, konnte er die Lage dieses Mittelpunktes und dessen jährliche Bewegung auf einen halben Millimeter genau bestimmen.
Die Genauigkeit, mit der die Position des Erdmittelpunktes bekannt ist, ist nicht nur von theoretischem Wert, sondern hat auch unmittelbare Auswirkungen auf wichtige Messungen an der Erdoberfläche. So beziehen sich sämtliche Angaben über Veränderungen des Meeresspiegels aufgrund des Klimawandels auf ein Nullniveau, das wiederum mit der Form des Geoids verknüpft ist. Wenn man dieses Nullniveau aufgrund von Unsicherheiten bei der Bestimmung des Erdmittelpunktes nicht genau kennt, kann man auch die Änderungen nur ungenügend messen. Auch die Zuverlässigkeit der Messungen jener Geschwindigkeit, mit der die mächtigen Erdkrustenplatten über die Erdoberfläche driften, ist von der Genauigkeit der Lage des Bezugsystems abhängig. Weil diese Geschwindigkeiten wichtige Eingangsparameter für die Berechnung des Erdbebenrisikos in Gegenden wie Kalifornien oder Japan sind, gehen die Unsicherheit bei der Bestimmung der Lage des Erdmittelpunktes auch in solche Analysen ein.
