Die Vermessung der Welt - exkurs-Gespräch mit Prof. Dr.-Ing. Susanne Glaser
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| Number of Parts | 17 | |
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| Identifiers | 10.5446/69903 (DOI) | |
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exkurs-Gespräche12 / 17
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Transcript: German(auto-generated)
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Ich vermesse die Erde mit Satelliten und das ist so besonders wichtig, um globale Effekte wie zum Beispiel den Meeresspiegelanstieg bestimmen zu können. Herzlich willkommen zum DFG-Exkursgespräch, heute zum Thema Die Vermessung der Welt.
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Die Welt darf ich heute vermessen mit Professor Susanne Glaser. Hallo Frau Glaser. Hallo Herr Böckst. Frau Glaser hatte Forschungsaufenthalte am GPL der NASA in Kalifornien, in Paris, hat die letzten neun Jahre am Gfz Potsdam gearbeitet und jetzt vor kurzem die Professur geodetische Raumverfahren an der Uni Bonn übernommen.
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Frau Glaser, wenn Sie mit Menschen sprechen, die sich nicht so gut auskennen mit geodetischen Raumverfahren und Ihnen erklären, warum Sie sich um die Geometrie der Erde Gedanken machen und um das Vermessen der Welt, was sagen Sie ihnen, warum es so wichtig ist, dass wir unsere Welt gut vermessen können?
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Genau, also erstmal sage ich immer, ich vermesse die Erde mit Satelliten und das ist so besonders wichtig, um globale Effekte wie zum Beispiel den Meeresspiegelanstieg bestimmen zu können. Das ist ein Effekt, der global gesehen recht klein ist. Der letzte IPCC-Report, das kann man auf Deutsch übersetzen, der letzte Sachstandsbericht
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des Weltklimarates, hat eine Zahl von 3,7 Millimeter pro Jahr angegeben. Also wirklich ganz kleine Größe und die geodetischen Referenzrahmen und Systeme, die da zugrunde liegen, müssten eigentlich eine Größenordnung genauer sein als der
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zu beobachtende Effekt und das ist leider noch nicht gegeben. Das heißt, also wenn wir uns jetzt schon auf ein paar Millimeter genau rechnen können, für mir kommt das sehr genau vor. Genau, also wir sind schon in dem Bereich, aber wir sind noch 3 bis 5 Faktor schlechter
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und da eben der Effekt so klein ist, müssen wir ihn ja sehr genau bestimmen. Und es ist nicht nur der globale Meeresspiegelanstieg, es sind auch noch weitere Effekte, zum Beispiel Krustendeformation der Erde aufgrund von Massenumfalllagerungen im Ozean,
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der Atmosphäre, der kontinentalen Hydrologie, die möchten wir auch ganz genau aktuell kennen, weil dann die Hoffnung auch ist, dass eine Prädiktion genauer wird. Also das ist Grundlage dafür, vielleicht irgendwann mal ein Erdbeben vorherzusehen, auch wenn das jetzt noch weit weg ist, aber man muss erst mal genau erkennen,
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wie sehr sich eine Kruste verschiebt. Leuchtet mir ein, wie wichtig es ist, kommt glaube ich auch zum Ausdruck, dass es sogar, wenn ich es richtig weiß, eine UN-Resolution gibt zum Vermessen der Welt. Was sagt die? Genau, also es gibt eine UN-Resolution, die dann sagt, dass wir eben so einen genauen
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Referenzrahmen, das ist im Prinzip ein Koordinatensystem der Erde, dass wir das benötigen. Und dass diese UN-Resolution ist die einzige Resolution für Geodesie und hebt natürlich das ganze Thema auf eine politische Ebene. Ich kann mir vorstellen, wenn man ein paar Schritte weiter denkt, dann kommt man auch
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auf ganz viele Anwendungen, sei es zum Beispiel auch das genaue Navigieren mit Fahrzeugen oder mit Flugzeugen. Und wenn wir über automatisierte Fahrzeuge, also Autos sprechen, vielleicht fahren ja irgendwann mal ein paar Milliarden rum auf dem Planeten, wäre es auch gut, wenn sie genau wissen, wo sie sind.
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Absolut, also Positionierung und Navigation auf der Erde als einfachste Anwendungen. Und natürlich im System Erde gibt es diese ganzen Prozesse, die wir dann auch beobachten wollen. Eismassenveränderungen, Platten-Tectonik, das muss alles vermessen werden und es
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sind mitunter recht kleine Beträge. Jetzt haben Sie ja schon angedeutet, Sie vermessen die Welt mit Satelliten. Aber wie genau funktioniert das? Na, wir haben da verschiedene Verfahren. Es gibt eben Satelliten, die sich dafür eignen. Es gibt vier verschiedene Satellitenverfahren, die ich gerne im Folgen kurz vorstellen
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kann. Ich möchte aber auch sagen, es gibt noch weitere Verfahren, die auch das Schwerefeld der Erde bestimmen, Altimeter-Satelliten, Fernerkundungssatelliten. Da gibt es eine Vielzahl. Und ich beschäftige mich eben mit den vier geodetischen Raumverfahren.
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Na dann gucken wir uns die an. Also welche sind das? Ein Verfahren, mit dem ich hier beginnen möchte, sind die Laserentfernungsmessungen zu Satelliten. Auf Englisch heißt das Satellite Laser Ranging. Daher kommt die Abkürzung SLR zustande und das rechte Bild zeigt das, glaube ich, ganz eindrücklich, dass es ziemlich cool ist, dass man von der Erde aus
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ein Laser aussendet, der von einem speziellen Satelliten empfangen wird. Und dieser Satellit, ein wichtiger Satellit ist hier Lagios, relativ klein im Durchmesser 60 Zentimeter. Er hat hier auf der Oberfläche so ganz viele Spiegel und die Spiegel sind auch
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ganz besonders konstruiert, nämlich so, dass das einfallende Laser-Licht genau in die gleiche Richtung zurückreflektiert wird. Ich also aussende und wieder empfange und aus der Laufzeitmessung kann ich dann eben die Strecke bestimmen. Das ist ja total abgefahren.
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Das heißt, sie schießen in Potsdam ein Laserstrahl auf eine 60 Zentimeter große Diskokugel, die wie viel 100 Kilometer entfernt ist. Das ist ja kaum vorstellbar. Also wie weit ist der Satellit weg? Ja, ungefähr 6000 Kilometer. Und wie trifft man den?
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Man muss den Orbit, also die Satellitenbahn, wir sagen a priori, also im Vorhinein relativ genau bestimmen, dass sich das Sendeteleskop dementsprechend ausrichten kann und den Satellit nachführen kann. Also das ist das ist nicht ohne, aber es funktioniert. Es funktioniert auch schon seit Mitte der 60er Jahre.
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Da wurde so eine Messung das erste Mal erfolgreich durchgeführt. Und wir kommen jetzt auf eine Stations Positionsgenauigkeit von wenigen Millimetern, einige bis wenige Millimeter. Das ist schon beachtlich. Und wenn ich es richtig verstanden habe, wir messen einfach, wie lange
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braucht das Licht, bis es am Satellit ankommt und reflektiert wird. Und daraus kann ich dann die Entfernung bestimmen. Aber im Grunde habe ich dadurch ja nichts anderes als eine Länge gemessen zu einem bestimmten Zeitpunkt und noch nicht die ganze Erde vermessen. Genau, das ist ganz richtig erkannt.
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Deshalb sagen wir zu den Studierenden dann auch immer Was braucht man noch? Nämlich mehrere Stationen, mehrere Stationen, die global auf der Erde verteilt sind und eben auch im besten Fall mehrere Satelliten, um so eine globale Abdeckung zu bekommen. Von SLR so, ja, ich würde sagen 30 bis 40 sind nicht so viele für die
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anderen Verfahren, die dann später kommen, haben deutlich mehr. Das ist eine Schwäche des Verfahrens. Dann lassen Sie uns über die anderen Verfahren sprechen. Welche gibt es noch? Noch ein Verfahren, das sind die Radiointerferometrie auf langen
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Basislinien, Very Long Baseline Interferometrie auf Englisch. Und da messen wir mit hier Radioteleskopen, wie Sie zwei sehen, messen wir Signale von extragalaktischen Quellen, die meistens Quasare sind und die sind so weit weg, dass ihre Eigenbewegung praktisch
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vernachlässigt werden kann, sie also als Fixsterne am Himmel betrachtet werden können. Und das ermöglicht uns, die Erde absolut im Raum zu orientieren. Und es ist wie das einzige Verfahren, was das kann. Jetzt erstaune ich noch umso mehr. Ich habe ja eben mich schon gewundert, wie wir über 6000
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Kilometer den Satellit ansteuern. Aber um welche Entfernung geht es hier? Wenn es also wenn es so weit entfernte Objekte sind, dann dann geht es doch um Lichtjahre. Genau Lichtjahre. Und man braucht auch immer zwei Antennen, die jetzt nicht so nah beieinander sind, sondern meistens verteilt auch, also auch auf
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verschiedene Kontinente verteilt. Denn man empfängt im Prinzip nur Rauschen, weil das so weit weg ist und kann aber dann genau sagen, wann kam das Rauschen an Station eins an und wann kam das Rauschen an Station zwei an? Und dann das nennt man dann Kreuz Korrelation.
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Da kann ich dann ganz genau die Laufzeit auch bestimmen und die die Entfernung zwischen den Teleskopen, die Basislinie sehr genau bestimmt zwischen den Teleskopen. Und wenn ich wieder auf der ganzen Erde Vertellstationen habe, kann ich wieder so ein Stationsnetz generieren.
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Und habe ich das richtig verstanden, selbst wenn sich dieses Objekt, an dem wir uns da orientieren, extrem schnell bewegt oder bewegt hat, weil es ist ja vielleicht schon viele Jahre her, dann spielt das keine Rolle, weil es so weit weg ist, dass es für uns fast wie ein fixer Punkt ist. Genau. Also das ist, ich spreche ja auch sehr
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Das ist natürlich alles nicht so einfach, wie es klingt, aber das ist das grundlegende Verfahren. Abgefahren. OK, das ist das zweite Verfahren. Sie sagten, aber es gäbe noch mehr. Genau. Ein Verfahren ist noch ein Doppler Messverfahren. Das heißt Doris abgekürzt.
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Und hier ist es so, dass von einer Station auf der Erde, wie man die hier rechts sieht, kontinuierlich ein Signal ausgesendet wird und dann von einem Satelliten empfangen wird. Und das ist ja ein Altimeter Satellit eigentlich, der wirklich dafür da ist, um Meeresspiegelanstieg zu bestimmen.
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Aber den Satelliten Bahn, das Satelliten muss sich natürlich auch sehr genau kennen. Und da bietet sich eben dieses Doris Verfahren an und den Doppler Effekt, den kennt man vielleicht so, dass wenn ein Krankenwagen sich auf einen zubewegt und von einem weg verändert sich das Signal,
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also die Frequenz des Signals, die hörbare Frequenz ändert sich. Und diesen Effekt, diesen Doppler Effekt macht man sich zu Nutze. Denn wenn der Satellit sich auf die Station zubewegt, geht die Frequenz, erhöht sie sich. Wenn sie sich weg bewegt, der Satellit von der Station wird sie kleiner.
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Und wenn der Satellit also genau über der Station sich befindet, die Differenz aus empfangenen und gesendeten Signal sozusagen gleich ist, weiß ich, wo der Satellit über mir ist und kann aus der Strecke auch die, der kann eben die Position des Satelliten bestimmen.
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Und hierfür braucht es nicht so eine große Antenne, wie wir sie jetzt zuletzt benötigt haben, um die Lichtjahre entfernten Fixpunkte anzusteuern. Aber ich muss wiederum Satelliten in den Orbit schicken. Gibt es denn Vor- und Nachteile bei den verschiedenen Verfahren?
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Ja, also gerade dieses Doris-Verfahren hat global gesehen das beste Stationsnetz. Es gibt sehr viele Stationen, auch vor allem auf Inseln. Hat eine sehr gute Abdeckung. Aber die Stationspositionen, die ich bestimme, sind nicht so gut wie von den anderen Verfahren. Also hier erreichen wir Zentimeter-Level.
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Und Sie sprachen auch noch von einem vierten Verfahren. Genau, das ist vielleicht den meisten bekannt, die globalen Navigations-Satelliten-Systeme. Ein Verfahren ist das globale Positionierungssystem, also das amerikanische System GPS.
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Wenn man mit seinem Handy in Google Maps an sein Ziel möchte, dann mache ich mir auch Nutzen von diesem Verfahren. Und es gibt noch das russische Verfahren GLONASS, europäisch Galileo, chinesisch Baidu und noch zwei regionale Systeme, indische IRSS und das japanische QZSS.
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Und alle sind so unter diesem Begriff globale Navigations-Satelliten-Systeme GNSS zusammengefasst. Das macht man sich manchmal nicht so bewusst, dass man beim Navigieren in der Stadt, wenn man vielleicht nur schnell zum Bahnhof muss, man Kontakt mit mehreren Satelliten aufnimmt,
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um sich durch den Ort leiten zu lassen. Meine Erfahrung ist bei diesem, ich sage jetzt mal zivilen GPS, ist die Genauigkeit aber nicht ganz so toll. Wenn ich jetzt Wissenschaftlerin bin oder Wissenschaftlerin, darf auf alles Mögliche zugreifen. Wie genau ist zum Beispiel GPS? Ja, also dann für diese Antenne erreiche ich so wenige bis einige Millimeter
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Stationspositionsgenauigkeit. Das ist schon auch beachtlich. Und da müssen sehr viele Effekte berücksichtigt werden. Zum Beispiel die Signale werden in der Atmosphäre gebrochen. Also es gibt eine Refraktion in Troposphäre, Ionosphäre. Es gibt relativistische Effekte.
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Es ist, das muss alles berücksichtigt werden, um am Ende diese Millimeter hinzubekommen. Faszinierend. Ich frage mich die ganze Zeit aber, welches ist dann jetzt das beste Verfahren? Ist es dann zum Beispiel GPS? Das kann man nicht so sagen. Jedes Verfahren hat so seine Stärken und Schwächen. Und das kann man vielleicht auch aus einer philosophischen Sicht sehen.
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Was mache ich? Alles hat Stärken und Schwächen. Ich mache mir das einfach zu Nutze und kombiniere mir die Verfahren. Und das wird gemacht. Und somit wird dieser globale Referenzrahmen bestimmt. Aus einer Kombination von allen vier Verfahren.
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Hört sich aber an, als ob es dadurch jetzt nicht weniger komplex wird, weil Sie ja schon beschrieben haben, was man alles bedenken muss, wenn man zum Beispiel GPS benutzt. Und jetzt die Kombination mit den anderen Verfahren lässt wahrscheinlich sehr komplexe Rechnungen entstehen. Genau. Also wir sprechen hier von Stationen. Das sind über 1800 Stationen global verteilt
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dann von allen vier Verfahren. Und die müssen ja irgendwie zusammengebracht werden. Also bisher hat man ja jedes Verfahren für sich erst mal. Und in einer Kombination muss sich ja eine Methode anwenden, um die irgendwie zusammenzubekommen. Und das geschieht aktuell über, das sagt man auf Englisch, local ties.
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Das sind Stationen, wo ich mindestens zwei Verfahren beobachten kann. Also wo ich vorher gearbeitet habe in Potsdam. Da gab es gern SS Empfänger und auch ein Set SLR Station. Und man hat ganz genau durch Vermessungen diesen Differenzvektor zwischen den beiden Stationen bestimmt.
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Und die wird in die Kombination eingeführt. Und das ist aber nur GNSS SLR. Es wird deutlich, ich brauche auch Stationen, wo ich alle vier Verfahren beobachten kann. Und da gibt es global nur recht wenig. Also ungefähr sechs, wo ich alle vier Verfahren beobachten kann.
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Eine sehr wichtige Station ist Wetzel in Deutschland im Bayerischen Wald. Ich frage mich jetzt, wie viel ist da noch drin, indem wir diese Verfahren kombinieren, um noch genauer zu werden? Denn das ist ja Ihr großes Ziel. Oder braucht es noch einen Gamechanger, damit wir diesen einen Millimeter erreichen,
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der ja die Vision der Genauigkeit ist? Genau, also deshalb gibt es eben weitere Kombinationsmethoden, womit ich mich auch beschäftige. Also ich kann über andere Parameter kombinieren. Ich kann auch Turbosphärenparameter kombinieren. Das heißt dann Turbosphäre-Ties. Aber was ganz heiß ist, ist auch,
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das über den über Satelliten, spezielle Satelliten zu kombinieren. Und das heißt dann Space Tie. Und das kann ich hier nochmal zeigen. Also eine alternative Kombination im Weltraum. Das ist ja eine Mission, eine ESA-Mission, die letztes Jahr grünes Licht bekommen hat
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und hier mal ganz schematisch so ein Satellit gezeigt ist. Und man hat eben von allen vier Verfahren, hat man jetzt an einem Satelliten und kann von Station auf der Erde diesen Satellit beobachten und alle vier Verfahren am Satelliten zusammenbringen.
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Und dass so eine Mission jetzt sozusagen grünes Licht bekommen hat, ist ganz toll für die geodetische Community. Und wir hoffen uns da einfach Verbesserungen in Unsicherheiten der einzelnen Verfahren, die noch bestehen. Und das wirkt sich dann natürlich auch auf die Kombinationslösung positiv aus.
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Das ist zumindest der Plan. Frau Glaser, es ist faszinierend, vor allem, weil ich mir gerade Gedanken darüber mache, wie wenig uns das bewusst ist, wie sehr wir dieses Gitternetz eigentlich brauchen für all das, was wir noch vorhaben auf der Welt. Und wenn ich als Studierende mir sage,
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oh, das ist etwas, auf das würde ich mich gerne einlassen. Das ist genau mein Fall. Ich bin Pfennigfuchser und möchte gerne beitragen, dass dieser Millimeter erreicht wird. Was kann ich studieren? Und mit was müsste ich mich gerne beschäftigen, damit das etwas für mich ist? Ja, also man kann eben Geodesie und Geoinformation
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und zum Beispiel in Bonn studieren. Das behandelt auch andere Teile der Geodesie. Ich habe ja jetzt diese vier Verfahren erläutert. Aber man braucht einen Hang zur Mathematik, vielleicht auch ein bisschen Faszination Weltraum. Was hilft, damit ich durchs Studium komme? Das ist sicherlich von Vorteil.
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Frau Glaser, vielen, vielen Dank für den Einblick in Ihre Arbeit. Und ich wünsche viel Erfolg, dass Sie diesen Millimeter bald knacken. Dann vielleicht auch mit Genesis. Ja, super, vielen Dank. Und das schaffe ich natürlich nicht alleine. Wir sind auf nationale und internationale Zusammenarbeit angewiesen. Sonst funktioniert die Vermessung der Erde nicht.
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Dankeschön. Gut, danke.