30.06.2015

Universität Zürich

Atomuhren zur Überwachung von Vulkanen

Hochpräzise Atomuhren können dazu benutzt werden, um Vulkane zu überwachen und genaue Voraussagen über zukünftige Vulkanausbrüche zu treffen. Ausserdem könnte ein Bodennetzwerk aus Atomuhren die Reaktion der Erdkruste auf die festen Erdgezeiten überwachen. Das fand ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Universität Zürich heraus.

Optische Atomuhren können Zeit mit einer unglaublichen Präzision messen. Die neuesten dieser Uhren sind so genau, dass sie bei einer Laufzeit von 10 Milliarden Jahren weniger als eine Sekunde an Genauigkeit verlieren. Allerdings sind Uhren dieser Genauigkeit bis jetzt nur im Labor verfügbar. Wissenschaft und Industrie nutzen das Potenzial dieser neuartigen Zeitmessung noch nicht. Ein internationales Team unter der Mitwirkung von Dr. Ruxandra Bondarescu, Andreas Schärer und Prof. Philippe Jetzer des Physik Instituts der Universität Zürich hat nun mögliche Anwendungsbereiche für Atomuhren erforscht.

Ihre Analysen zeigen, dass Atomuhren zusammen mit Erkenntnissen aus der Relativitätstheorie benutzt werden können, Vulkane zu überwachen. Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Uhren, die in unterschiedlichen Abständen zu einem schweren Körper wie unserer Erde aufgestellt sind, unterschiedlich schnell ticken. Je näher sie sind, desto langsamer ticken sie. Fliesst Lava in eine unterirdische Kammer unterhalb eines Vulkans, verlangsamt sich die Zeit einer Uhr, die am Vulkan positioniert ist, im Vergleich zu einer weiter entfernten Uhr. Gegenwärtig werden Vulkane mittels GPS-Empfänger überwacht. Die daraus resultierenden Daten müssen oft über Jahre hinweg integriert werden, bevor eine Schätzung über das Volumen der neuen Magma vorgenommen werden kann. Lokale Atomuhren könnten die gleiche Information bereits innerhalb einiger Stunden bereitstellen. Damit könnten die Vorgänge im Inneren der Vulkane besser überwacht und genauere Voraussagen über zukünftige Vulkanausbrüche getroffen werden.

Überwachung der Erdgezeiten durch ein globales Netzwerk von Atomuhren
Ausserdem können mit Atomuhren die Erdgezeiten überwacht und bestimmt werden. Gezeiten treten auf, weil sich die Erde im Gravitationsfeld der Sonne und des Mondes bewegt. Sie reagiert auf dieses äussere Feld durch Verformung, was wiederum die Gezeiten verursacht und dazu führt, dass sich der Boden auf den Kontinenten regelmässig anhebt und absenkt. Eine solche Bodenanhebung kann bis zu 50 Zentimeter betragen. Mithilfe eines globalen Netzwerks von Atomuhren, die über Glasfaserkabel miteinander verbunden sind, könnten Erdgezeiten permanent gemessen und theoretische Modelle überprüft werden. Auch allfällige regionale Unterschiede im Verhalten der Erdkruste auf die Erdgezeiten könnten untersucht werden.

Das Forscherteam hofft, dass Atomuhren schon in wenigen Jahren für diese Anwendungsbereiche eingesetzt werden. Voraussetzung dafür sei ein genügend grosses Interesse sowie Investitionen seitens der Industrie. «Wir brauchen dieses zusätzliche Werkzeug, um Magma-Bewegung unter Vulkanen, deren Explosionen bereits überfällig sind, wie beispielsweise dem Yellowstone, zu überwachen. Eine unerwartete Explosion würde das Leben auf der Erde wie wir es kennen schlagartig ver-ändern», erklärt Bondarescu.

Literatur
Ruxandra Bondarescu, Andreas Schärer, Andrew P. Lundgren, György Hetényi, Nicolas Houlié, Philippe Jetzer, and Mihai Bondarescu. Atomic Clocks as a Tool to Monitor Vertical Surface Motion. Express letter in the Geophysical Journal International. arXiv:1506.02457.

Quelle