Der Potsdamer Schwerewert als weltweites Referenzsystem

Fokus: Erde – Kapitel 2

 Schon im ersten Kapitel der Reihe »Fokus: Erde« in der letzten FORUM-Ausgabe wies der Autor Dr. Leicht auf die zunehmende Bedeutung des Königlich-Preußischen Geodätischen Instituts in Potsdam hin. Dies stand nicht zuletzt im Zusammenhang mit den tech­nischen Fortschritten zur Ermittlung der Schwerkraft. In Kapitel 2 gibt Dr. Leicht daher einen guten Überblick zur Entwicklung der Schweremessung von der frühen Erkenntnis, dass die Erde we­der Scheibe noch Kugel ist, bis zur Bedeutung des Potsdamer Schwerewertes bis weit in das 20. Jahrhundert hinein.

Bereits Mitte des 18. Jahrhunderts hatten große Vermessungs­projekte ergeben, dass die Erde keine gleichförmige Kugel ist. Wissenschaftler entdeckten, dass unser Planet aufgrund sei­ner Eigenrotation an den Polen um etwas mehr als 20 km abgeplat­tet ist und daher die Erde in ihrer Form einer Orange gleicht. Dieser Form kommt das sogenannte Rotationsellipsoid nahe. Es dient daher bis heute in fast allen Vermessungen als Referenz, also als mathematische »einfache« Rechengrundlage, um die Ergebnisse der Vermessungen überhaupt darstellen zu können.

Die tatsächliche Form der Erde ist aber wesentlich komplexer. Sie ist abhängig von der Erdanziehungskraft oder auch Gra­vi­ta­tions­kraft. Denn aufgrund der Massenunterschiede im Erd­inneren ist die massenabhängige Anziehungskraft auf der Erd­oberfläche nicht überall gleich. Ein Kilogramm wiegt nicht überall genau ein Kilogramm. Die auf das Schwerefeld bezoge­ne unregel­mäßi­ge Erdfigur nennt man seit den 1860er-Jahren Geoid. Wenn die Erde nur mit Wasser bedeckt wäre, würde die Meeresoberfläche aufgrund der unterschiedlich wirkenden Erd­anziehungskraft
exakt diese Form des Geoids annehmen.

Schon vor über 300 Jahren hatte der britische Physiker Isaac Newton (1642-1726) entdeckt, dass über die Bestimmung der Intensität der Erdanziehungskraft an verschiedenen Orten der Welt Rückschlüsse auf die Figur der Erde möglich sind. Wissen­schaftlich kann die Erdschwere sowohl durch astronomisch-geo­dätische Messungen von Lotabweichungen als auch durch physikalische Messungen mithilfe eines Pendels erfolgen, wie sie u. a. Newton durchgeführt hatte. Die Beobachtung der Schwingungsdauer eines Pendels ist die älteste Me­thode für die Messung der Erdanziehungskraft, auch Schwer­kraft oder Erdbeschleunigung genannt. Das Messprinzip klingt an und für sich leicht verständlich: Die Schwingungsdauer eines Pendels ist nur abhängig von der Länge des Pendels und der Größe der Erdanziehungskraft am Ort des Pendelns. Kennt der Beobachter also die Länge eines frei schwingenden Pendels und misst die Dauer seiner Schwingung, so kann er aus diesen Da­ten den lo­kalen Wert für die Erdbeschleunigung errechnen. Das Verfahren klingt scheinbar einfach. In der Praxis waren Pendel­experimente aber sehr aufwendig und fehleranfällig. Fehler­quellen wie verschiedene Reibungswiderstände oder Mit­schwing­effekte muss­ten genau bestimmt und in der Berechnung be­rück­sichtigt werden. Auch die Länge des Pendels musste bei den jeweils vor­herr­schenden Umgebungstemperaturen exakt be­stimmt werden, um nur einige Herausforderungen an den wissenschaftlichen Anspruch auf Exaktheit zu benennen. |1|

Der in Abbildung 1 gezeigte Pendelapparat wurde 1869 in der tra­ditions­reichen Hamburger Instrumentenwerkstatt von A. Rep­sold & Söhne gefertigt. Er ist eines der ersten Exemplare, mit denen die Erdschwere systematisch ausgependelt werden sollte. Der trans­portable Apparat wurde extra für die Mitteleuropäische Grad­­messung (ab 1867: Europäische Gradmessung) gefertigt und kam auf zehn Messstationen in Preußen und Sachsen zum Einsatz. In der Praxis hat er sich aber nicht bewährt. Beim Schwingen des Pendels übertrug sich die Schwingung zu sehr auf das Ge­stell, welches zudem nicht stabil genug war. Wissenschaftlich brauchbare Ergebnisse konnten damit nicht erzielt werden. Die geplanten Pendelmessungen, mit welchen die Zentralkommission der Europäischen Gradmessung das 1870 in Berlin gegründete Königlich-Preußische Geodätische Institut beauftragt hat­te, wurden wegen mangelnder Genauigkeit der vorhandenen Apparate daher zunächst zurückgestellt. |2|

Auf der 4. Allgemeinen Konferenz der Europäischen Gradmessung 1874 verständigten sich die Wissenschaftler daher auf ein anderes Vorgehen. Als beste Lösung favorisierten sie die abso­lute Bestimmung der Erdschwere unter Berücksichtigung aller möglichen Fehlerkorrekturen mit verbesserten Reversions­pen­deln an einigen wenigen Standorten. An diese Stationen sollten dann durch relative Messungen mittels transportabler Pendel­apparaturen weitere Stationen angeschlossen werden, um so ein Netz von aufeinander bezogenen Schwerewerten aufzu­bauen.

Mit der Realisierung dauerte es allerdings nochmals mehr als 20 Jahre. Der nach dem Tod von Johann Jacob Baeyer (1794-1885) zum Direktor des Geodätischen Instituts ernannte Fried­rich Robert Helmert (1843-1917) verfolgte mit dem gerade in Planung befindlichen Bau des neuen Forschungskomplexes auf dem Potsdamer Telegrafenberg u. a. das Ziel, ideale räumliche Bedingungen für die absolute Bestimmung der Intensität der Schwerkraft zu schaffen. Mit dem verantwortlichen Architekten Paul Emmanuel Spieker (1826-1896) konzipierte er ein welt­weit einzigartiges Laboratorium, in dem der absolute Wert der Schwerebeschleunigung in aufwendigen Pendelexperimenten so exakt wie möglich ermittelt werden sollte. |3| Herzstück des 1892 errichteten Institutsneubaus auf dem Potsdamer Telegra­fenberg bildeten zwei im Erdgeschoss befindliche außerge­wöhn­lich konstruierte Messräumlichkeiten: der Komparator-Saal und der Pendelsaal. Beide wurden bautechnisch unabhängig vom Gesamtgebäude gegründet, damit keinerlei Erschütterung die Messergebnisse verfälschen konnte. Ferner verfügten sie über eine extra für diesen Zweck entwickelte Heizungsanlage, die mit­tels eines ausgeklügelten thermischen Systems von Be­lüftungs­röhren, Hohlräumen und Luftregulierungsklappen die Tempe­ra­turverhältnisse in den Räumen kontrollierbar machte. Wäh­rend im Komparator-Saal vor allem Maßstäbe geprüft und geeicht wurden, sollte im Pendelsaal der Absolutwert der Erdschwere exakt ausgependelt werden.

 

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Johannes Leicht

Dr. Johannes Leicht

 
GeschichtsLotsen
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