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Dokumentation
Einsteins Erben
Orientierung dank Einstein
Die Relativitätstheorie hilft Klimaforschern
Kein Baum, kein Strauch, nur ein einsam gelegener See in 5000 Metern Höhe. Deutsche und indische Wissenschaftler um Professor Frank Riedel von der Freien Universität Berlin sind im Himalaja dem Klimawandel auf der Spur. Mit modernster Technik zur Ortsbestimmung, dem GPS, stellen sie fest, dass der See in den letzten zehn Jahren dramatisch geschrumpft ist.
Seit Jahren regnet es immer weniger im indischen Hochland von Ladakh. Aus örtlichen Berichten erfahren die Forscher, dass der Wasserspiegel des Sees von Jahr zu Jahr immer tiefer fällt.
Deshalb wollen Sie die jetzige Uferlinie zentimetergenau vermessen, um sie mit früheren Verläufen zu vergleichen. Dazu verwenden sie das satellitengestützte Globale- Positionierungs-System, GPS,.
Vier Satelliten bestimmen die Position
Gegenwärtig umkreisen 30 Satelliten die Erde in einer Höhe von rund 20.200 Kilometern. Sie sind so verteilt, dass von jedem Ort auf der Erde immer vier von ihnen gleichzeitig gesehen werden können. Jeder Satellit sendet eine Nachricht an den Empfänger: "Ich bin Satellit Nummer x und befinde mich an Position y. Diese Nachricht wurde um z Uhr ausgestrahlt." Der Empfänger bestimmt nun, wie lange das Signal unterwegs war, indem er die Empfangszeit mit der Sendezeit vergleicht.
Aus der von Einstein festgestellten Konstanz der Lichtgeschwindigkeit - 299.792.458 Meter pro Sekunde - kann er dann die Entfernung zu jedem Satelliten berechnen. Mit den Entfernungsbestimmungen wiederum lässt sich die Position des Empfängers auf der Erdoberfläche heraus finden.
Ungenaue Uhren
Das Problem dieses Verfahrens liegt in der Zeitmessung. An Bord jedes GPS-Satelliten befindet sich eine Atomuhr, die für die genaue Bordzeit sorgt. Aber kein GPS-Empfänger verfügt darüber. Ginge dessen Uhr nur um eine tausendstel Sekunde gegenüber der Satellitenuhr falsch, führte dies zu einem Fehler von 300 Kilometern auf der Erde.
Durch die Ungenauigkeit der Empfängeruhr ergeben sich deshalb für vier verschiedenen Satelliten unterschiedliche Positionen. Der Trick, die genauen Koordinaten auf der Erde zu finden, besteht nun darin, dass der Empfänger seine Uhrzeit solange ändert, bis alle Punkte in einem einzigen zusammen kommen, der wahren Position auf der Erde.
Retter Einstein
Und trotzdem ist das so erhaltene Ergebnis immer noch zu ungenau für die wissenschaftlichen Beobachtungen, denn zwei Effekte müssen noch berücksichtigt werden, die von Einstein in seiner Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie vorher gesagt wurden. Er fand nämlich heraus, dass bewegte Uhren, also die Atomuhren der Satelliten, langsamer gehen.
Infobox
Einstein im Auto
Das GPS ist die erste kommerzielle und praktische Anwendung von Einsteins Relativitätstheorie. Nur durch die Berücksichtigung der Ideen des genialen Physikers konnten die Klimaforscher die Küstenlinie des einsamen Sees im Himalaja zentimetergenau vermessen. Aber auch Autofahrer profitieren von Einstein. Das Navigationssystem im Auto basiert ebenfalls auf dem GPS und würde uns ohne die Erkenntnisse Einsteins nie ans Ziel bringen
Andererseits sagt die Allgemeine Relativitätstheorie auch , dass Uhren in einem Schwerefeld nachgehen. Das betrifft die Uhr des GPS-Empfängers. Die beiden Effekte heben sich teilweise gegenseitig auf. Allerdings überwiegt der Einfluss der irdischen Schwerkraft auf die Uhr des Empfängers. Diese Verlangsamung ist etwa sechsmal größer als der Effekt durch die Satellitengeschwindigkeit.
Ohne Berücksichtigung der beiden relativistischen Effekte würde sich während der Messung der Fehler pro Sekunde um etwa 13 Zentimeter immer weiter aufschaukeln. In einer Stunde wäre er schon auf 500 Meter angewachsen. Das System ist deshalb so ausgelegt, dass diese Abweichung automatisch korrigiert wird.
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