Die Erde eiert in Raum und Zeit

Abbildung 1 | Zenitteleskop, Hersteller: J. Wanschaff, Berlin 1888

 

Im vierten Teil seiner Serie »Fokus: Erde« widmet sich Dr. Leicht den Ab­weichungen der Erdrotation. Von unerklärlichen Schwankungen der geogra­fi­schen Breite eines Ortes irritiert, startete man damals Beobachtungsreihen in Berlin und Honolulu gleichzeitig. Immer mehr und immer weiter reichende Untersuchungen folgten.

Leicht schildert anschaulich den Bogen vom Anfangs­verdacht bis hin zur Atomzeit und der astronomischen Erd-Uhr, stellt die Protagonisten der For­schungsarbeiten vor und begleitet sie auf ihrem Weg, der in den Erkenntnissen mündete, die heutigen Forschungen zugrunde liegen.

 

Jahrhundertelang nahmen Astronomen an, dass die Drehung der Erde um sich selbst gleichförmig verlaufe. Die Rota­tion der Erde und ihre Stellung im Raum galten daher als Takt­geber für den Uhrengang und bildeten die Grundlage für astro­nomische Ortsbestimmungen. Doch Mitte des 19. Jahrhunderts mehrten sich die Anzeichen, dass der Globus keineswegs konstant ro­tiert.

Ende der 1880er-Jahre ergaben verschiedene astronomische Be­obachtungsreihen, u. a. am noch in Berlin ansässigen Geodäti­schen Institut, unerklärliche Schwankungen der geografischen Breite. Um den Verdacht zu bestätigen, dass sich womöglich der Erdkörper gegenüber der raumfesten Rotations­achse perio­disch verlagert, initiierte die Internationale Erdmessung 1891/92 die gleichzeitige Breitenmessung in den diametral gelegenen Stationen Berlin und Honolulu auf Hawaii. |1|

Auf der Pazifikinsel kam dafür das 1888 in den Berliner Werk­stät­ten von Julius Wanschaff für das Geodätische Institut Pots­dam angefertigte Zenitteleskop zum Einsatz. Es hatte sich be­reits bei den vorherigen Breitenbestimmungen bewährt und sollte nun auf der anderen Seite des Globus die vermutete periodische räum­­liche Schwankung der Erdpole nachweisen. Die Mess­ergeb­­nisse der vom Berliner Astronomen Adolf Marcuse (1860-1930) ge­leiteten Expedition brachten schließlich die erhoffte Gewiss­heit. Sie zeigten, dass sich die Schwankungen zwischen den euro­­päi­schen Stationen in Berlin, Prag und Straßburg genau entge­­gen­gesetzt zu denen in Honolulu bewegen. |2| Die zuvor festge­­stell­ten Schwankungen bei der Messung der geografischen Brei­ten waren also nicht das Resultat von Instrumenten- oder Mess­fehlern, sondern Beleg für das »Eiern« der Erde bei ihrer Drehung um sich selbst aufgrund ihrer Unförmigkeit. Mit dem Zenit­teleskop wurde fortan auf dem Potsdamer Telegrafenberg die geografische Breite im sogenannten Breitenhaus bestimmt. |3|

Auf Initiative des Geodätischen Instituts Potsdam beschloss die Allgemeine Konferenz der Internationalen Erdmessung schließ­lich die Einführung eines Internationalen Breitendienstes, um diese Schwankung der Erde von verschiedenen Stationen aus rund um den Globus kontinuierlich zu bestimmen. |4| Die bis heute durchgeführte Beobachtung der Polschwankung startete 1899 mit sechs teilnehmenden Stationen, die alle auf dem 39. Breitengrad lagen: Mizusawa (Japan), Gaithersburg (USA), Tschardjui (Russland), Cincinnati (USA), Carloforte (Italien) und Ukiah (USA).

Das auf dem 52. Grad nördlicher Breite liegende Geodätische Institut Potsdam war zwar nicht darunter, aller­dings wurden hier bis zum Ende des Ersten Weltkrieges unter der Federführung von Theodor Albrecht (1843-1915) die Messungen zentral koordiniert und ausgewertet. |5| Das Potsdamer Instrument dien­te als Prototyp der Teleskope, mit denen die Sta­tionen des Internationalen Breitendienstes ausgerüstet wur­den. Die Firmen Wanschaff (Berlin) und Zeiss (Jena) bauten und das Geodätische Institut testete diese, bevor sie in den Stationen zum Einsatz kamen.

Heutzutage erfasst der Internationale Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS) mit Sitz in Frankfurt/Main die Pol­koordinaten mittels Satelliten im Millimeterbereich. Diese Über­wachung ist notwendig, da ansonsten bei satellitengestützten Positionsbestimmungen schnell Fehler von bis etwa 10 m auf­treten können. Der IERS erstellt regelmäßig ein global gül­tiges, zentimetergenaues Bezugssystem für astronomische und geo­grafische Positionsdaten. Die Messungen tragen darüber hinaus zur Berechnung der koordinierten Weltzeit (UTC) bei, die vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Paris koor­diniert wird. Das BIPM setzt beispielsweise aufgrund von Empfeh­lungen des IERS Schaltsekunden in die koordinierte Weltzeit ein, um so die Übereinstimmung der Atomzeit mit der Sonnenzeit zu halten.

Denn auch die astronomisch gemessene Zeit vergeht nicht kon­stant, wie die beiden Potsdamer Wissenschaftler Friedrich Pa­vel (1889-1954) und Werner Uhink (1896-1973) Mitte der 1930er-Jahre herausfanden. Zu dieser Zeit hatte das Geodätische Insti­tut bereits seit über 40 Jahren einen Dienst zur kontinuierlichen Zeitbestimmung und -bewahrung betrieben. Als die Wissen­schaftler mit der exakten Bestimmung der Zeit begannen, hat­te es im 1871 gegründeten Deutschen Reich noch gar keine ein­heitliche Zeit gegeben. Vielmehr lebten die Bürger einer Stadt jeweils nach ihrer eigenen Ortszeit ...

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Abbildung 5 | Blick in den Uhrenkeller des Geodätischen Instituts, um 1900