Als ich auf den letzten Kilometern den Anweisungen des Navis folge, um den im Bayerischen Wald versteckten Ort Wettzell zu finden, ahne ich nicht, welch moderne Technik mich dort erwartet. Dabei hatten die hier vorhandenen Einrichtungen wohl einen entscheidenden Anteil daran, dass mich mein Navigationssystem schließlich zuverlässig zum Ziel leitete. Vor etwas mehr als 50 Jahren als Satellitenbeobachtungsstation gegründet, präsentiert sich heute an diesem abgelegenen Standort ein geodätisches Observatorium, das alle für die Erdvermessung wichtigen Messverfahren vereint und als Fundamentalstation Wettzell weltweit hohe Anerkennung genießt. Hausherr des Observatoriums ist das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG), das die Einrichtung zusammen mit der Technischen Universität München (TUM) betreibt. Die Geodäsie – auch Erdmessung genannt – liefert Informationen über die genaue Gestalt unseres Heimatplaneten und seine Lage im Raum. Schon auf den ersten Blick lässt sich erkennen, dass die hierfür benötigten Daten in Wettzell zum großen Teil durch Radio- und Laserteleskope generiert werden (siehe »Hochtechnologie im Grünen«).

Die Position der Erde im Raum ist durch einen international vereinbarten raumfesten Referenzrahmen festgelegt, das International Celestial Reference Frame (ICRF). Er wird durch extragalaktische Radioquellen wie Quasare definiert. Mit diesen fernen Objekten stehen genügend stabile Fixpunkte zur Verfügung, die von jeweils mehreren, weltweit verteilten Radioteleskopen mittels Radiointerferometrie auf langen Basislinien (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) beobachtet werden. Hierbei beobachtet man mit mehreren Radioteleskopen auf verschiedenen Kontinenten zeitgleich dieselbe Radioquelle am Himmel; die aufgezeichneten Daten werden anschließend korreliert.

Andererseits existiert ein sich mit der Erde drehendes festes Bezugssystem, das International Terrestrial Reference Frame (ITRF). Es wird durch Messstationen gebildet, die auf der gesamten Erdoberfläche verteilt sind, darunter das Observatorium in Wettzell. Diese Stationen ermöglichen kontinuierliche Positionsbestimmungen, um zeitliche Veränderungen zu erfassen, die beispielsweise durch tektonische Plattenbewegungen ausgelöst wurden. Für die Verknüpfung des erdfesten mit dem raumfesten Bezugssystem ist schließlich noch die Erdrotation maßgebend.

Radiospiegel in Wettzell

Seit dem Jahr 1983 ist das Radioteleskop Wettzell in Betrieb, dessen Konzept ausschließlich für die geodätische Nutzung der Radiointerferometrie ausgelegt ist. Die als Cassegrain-System gebaute Antenne hat einen Durchmesser von 20 Metern und bildet ein Rotationsparaboloid von neun Metern Brennweite (siehe »Daten sammeln im Akkord«). Die Genauigkeit der Oberfläche beträgt beim Hauptreflektor im Mittel 0,35 Millimeter, beim 2,7 Meter messenden Subreflektor sogar 0,1 Millimeter. Da es bei der Längenmessung interkontinentaler Basislinien zwischen weltweit verteilten Radioteleskopen um eine Genauigkeit von weniger als einem Zentimeter geht, wurde beim Entwurf des Teleskops auf hohe Stabilität und auf einen eindeutig festgelegten Bezugspunkt als Schnittpunkt der beiden Drehachsen in Azimut und Elevation geachtet. Unter dem Azimut versteht man den Drehwinkel des Teleskops entlang des Horizonts, unter der Elevation den dazu senkrechten Höhenwinkel. Das Teleskop empfängt die Radiostrahlung von Quasaren im sogenannten S-Band – entsprechend einer Frequenz von 2,3 Gigahertz und einer Wellenlänge von 130 Millimetern – sowie im X-Band bei 8,4 Gigahertz und 36 Millimetern Wellenlänge.

Bei den Quasaren handelt es sich um die aktiven Kerne von Galaxien, wo Materie aus einer Akkretionsscheibe in ein extrem massereiches Schwarzes Loch einströmt und dabei ungeheure Energiemengen freisetzt. Diese kosmischen Kraftwerke zählen zu den leuchtkräftigsten Objekten im Universum und erscheinen wegen ihrer großen Entfernung von mehreren Milliarden Lichtjahren praktisch punktförmig und ohne Eigenbewegung. Gerade diese Eigenschaft macht sie für die Geodäsie so wertvoll, da sich mit ihnen als Fixpunkten am Himmel ein raumfester Bezugsrahmen (ICRF) festlegen lässt. Hierfür definierte die Generalversammlung der Internationalen Astronomischen Union (IAU) den neuen Bezugsrahmen ICRF3, der bei einer Frequenz von 8,4 Gigahertz die Positionen von 4536 extragalaktischen Quellen enthält, wovon 303 Quasare als Referenzquellen gelten. Diese fachsprachlich als »Defining Sources« bezeichneten Objekte sind gleichmäßig über den Himmel verteilt und bestimmen die Koordinaten des Bezugsrahmens (siehe »Ein Himmel voller Radioquellen«).

Für die VLBI-Radiointerferometrie benötigt man mindestens ein zweites, möglichst mehrere Tausend Kilometer entferntes Radioteleskop, das zur gleichen Zeit denselben Quasar beobachtet. Die Radioastronomen interessieren sich für diese Langbasisinterferometrie vor allem wegen des dabei erreichten Auflösungsvermögens von wenigen tausendstel Bogensekunden, was bei der Abbildung eines Schwarzen Lochs durch das Event Horizon Telescope ausgenutzt wurde. Für die Geodäten ist VLBI bedeutsam, weil sich mithilfe dieser Technik die Längen von Basislinien zwischen zwei Teleskopen auf drei bis vier Millimeter genau vermessen lassen – selbst wenn sie sich auf verschiedenen Kontinenten befinden. Ein dadurch geschaffenes Netz von weltweit verteilten Basislinien bildet heute die Grundlage der Erdvermessung.

Die Radiostrahlung eines Quasars trifft an einem der beiden Teleskope um die zusätzliche Laufzeit τ später ein, was mit der Lichtgeschwindigkeit c einem Wegunterschied c ∙ τ entspricht (siehe »Abstandsmessung mit Interferometer«). Mit dem bekannten Winkel β erhält man für die Basislinie b die einfache trigonometrische Beziehung b = c ∙ τ / cos β. Um die Laufzeitdifferenz τ zu ermitteln, werden die an den Teleskopen eintreffenden Radiosignale durch hochgenaue Atomuhren – meist Wasserstoffmaser – mit präzisen Zeitmarken versehen, woraus dann sogenannte Korrelatoren den zeitlichen Versatz der beiden Signalspuren berechnen. Außer in Wettzell befindet sich ein solcher Korrelator beispielsweise am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn oder am Haystack Observatory des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA.

Die Zwillingsteleskope

Im Jahr 2012 erhielt das damals fast 30 Jahre alte 20-Meter-Teleskop Verstärkung: Die beiden identischen, etwas kleineren Twin-Teleskope sind mit neuerer Technik ausgestattet und ermöglichen hinsichtlich des Beobachtungsbetriebs entscheidende Verbesserungen (siehe »Zwei Augen sehen mehr«). Hierzu zählen eine höhere Messgenauigkeit der Laufzeitdifferenz, eine größere Anzahl beobachteter Radioquellen, die Reduktion systematischer Fehler und der verminderte Einfluss von Störfrequenzen. Darüber hinaus lassen sich mit den beiden wechselseitig und vollautomatisch betriebenen Zwillingsteleskopen zwei verschiedene Radioquellen gleichzeitig beobachten. Zudem können Wartungs- oder Reparaturarbeiten durchgeführt werden, ohne längere Messreihen unterbrechen zu müssen. Beide Teleskope arbeiten mit einem Breitbandfeed, der den Frequenzbereich von 2 bis 14 Gigahertz abdeckt.

Die Koordinierung des Messbetriebs mit den anderen teilnehmenden Radioteleskopen erfolgt durch den International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS). Da die Erdrotation geringfügigen Schwankungen unterliegt, muss sie regelmäßig vermessen werden, um die Genauigkeit der Navigationssysteme auf Dauer zu gewährleisten. Die gemeinsam mit verschiedenen Stationen durchgeführten Beobachtungen erfolgen als jeweils 24 Stunden dauernde »Sessions«, die montags und donnerstags stattfinden. Aus der Analyse solcher Beobachtungen lassen sich die Erdorientierungsparameter (EOPs), also Daten zur Polbewegung, Rotationsgeschwindigkeit, Nutation und Präzession unseres Planeten, ableiten. Aus logistischen Gründen stehen diese Daten meist aber erst einige Tage später zur Verfügung.

Im Hinblick auf die oft schnell variierende Rotationsgeschwindigkeit der Erde ist die Geodäsie aber auf rasch verfügbare Informationen angewiesen. Deshalb werden täglich in sogenannten Intensive Sessions einstündige VLBI-Beobachtungen zur Messung der Erdrotationsgeschwindigkeit vorgenommen, die dann zeitnah am US Naval Observatory in Washington D.C. korreliert werden. Diese Daten tragen zum präzisen Funktionieren der Navigationssatelliten bei. Welche Genauigkeit mit VLBI erreicht werden kann, veranschaulicht die Vermessung der Basislinie zwischen Wettzell und dem 6000 Kilometer entfernten Westford im US-Bundesstaat Massachusetts: Während einer langjährigen Messkampagne hat sich der Abstand zwischen den beiden Orten pro Jahr um etwa 17 Millimeter vergrößert. Besser könnte man die Auswirkung der Kontinentaldrift zwischen Europa und Nordamerika nicht belegen (siehe »Präzise Entfernungsmessung«).

Entfernungsmessung mit Lasern Eine weitere wichtige Komponente der Erdmessung ist die Entfernungsmessung zu Satelliten mithilfe von Lasern. Hierbei wird aus der Laufzeit kurzer Laserpulse die Entfernung zu künstlichen Erdsatelliten berechnet, von denen das Licht durch dort angebrachte Reflektoren – sogenannte Tripelprismen – wieder zum Teleskop zurückgeschickt wird. Für das in der Fachwelt als Satellite Laser Ranging (SLR) bezeichnete Verfahren stehen in Wettzell zwei optische Teleskope zur Verfügung, mit denen wichtige Beiträge zum erdfesten Bezugssystem (ITRF), zur Bestimmung von Satellitenbahnen und zur Kontrolle der Erdrotation erbracht werden. Außerdem ist SLR das einzige Verfahren, mit dem sich der Schwerpunkt der Erde als Bezugspunkt des ITRF bestimmen lässt. Die Aktivitäten der SLR-Stationen werden weltweit durch den International Laser Ranging Service (ILRS) koordiniert.

Das seit 1990 bestehende Wettzell Laser Ranging System (WLRS) bedient sich zum Senden und Empfangen der Laserpulse eines Zeiss-Teleskops, dessen Spiegel eine Öffnung von 75 Zentimetern hat und das von einer Altazimut-Montierung getragen wird (siehe »Spezialoptik für Laserpulse«). Dieses System arbeitet vollautomatisch; bei gutem Wetter wird rund um die Uhr im Dreischichtbetrieb an sieben Tagen pro Woche beobachtet. Mit durchschnittlich 8000 beobachteten Satellitenpassagen pro Jahr zählt das WLRS weltweit zu den produktivsten SLR-Systemen.

Auch bei auftretender Bewölkung, die durch einen Wolkenpositionssensor erfasst wird, kann durch vorhandene Wolkenlücken oder dünne Wolkenschichten, die genügend Laserlicht passieren lassen, noch gemessen werden. Gegen die Unbilden des Wetters schützt eine klassische Spaltkuppel, die für hohe Drehgeschwindigkeiten ausgelegt ist.

Der Coudé-Raum unterhalb des Teleskops beherbergt die Leiteinrichtung sowie den Laser und den Detektor für das vom Satelliten reflektierte Laserlicht (siehe »Technik im Verborgenen«). Beim Pulslaser handelt es sich um einen passiv modengekoppelten Neodym-YAG-Laser, der mehrere Hundert Pulse pro Sekunde mit einer Pulslänge von jeweils zehn Pikosekunden (ps) abgibt (1 ps = 10^–12 Sekunden). Die Energie eines Einzelpulses im infraroten Spektralbereich, bei einer Wellenlänge von 1064 Nanometern, beträgt in der Regel ein Millijoule (mJ). Wahlweise steht auch grünes Licht mit einer Wellenlänge von 532 Nanometern zur Verfügung. Als Empfänger für den Infrarotkanal dient ein Detektor mit der komplizierten Bezeichnung InGaAs/InP SPAD, der auf –52 Grad Celsius gekühlt wird und einzelne Photonen zählen kann. Es handelt sich dabei um eine Einzelphoton-Avalanche-Diode (Single Photon Avalanche Diode, SPAD), bestehend aus Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und Indiumphosphid (InP).

Bei einer Auflösung in der Laufzeitmessung von unter zwei Pikosekunden ist allerdings die systemeigene Messgenauigkeit der Entfernung durch die Eigenschaften des Empfängers limitiert und kann im Idealfall 3,5 Millimeter betragen. Auf ähnliche Weise lassen sich auch Entfernungen zum Mond messen (Lunar Laser Ranging, LLR). Seit den US-amerikanischen Mondmissionen Apollo 11, 14 und 15, den sowjetischen Missionen Luna 17 und 21 sowie der indischen Landesonde Chandrayaan-3 befinden sich an mehreren Orten auf dem Erdtrabanten Laserreflektoren als Targets. Im März 2025 setzte im Mare Crisium der Blue Ghost Lunar Lander erfolgreich auf, der mit einem von der Universität von Maryland (USA) entwickelten Laserreflektor, dem Next Generation Lunar Retroreflector (NGLR), bestückt ist. Dabei zählte das Wettzell Laser Ranging System mit seinem Infrarotlaser zu den ersten Beobachtern, die von dem neuen Reflektor Signale empfangen konnten.

Der Ringlaser

Um die Rotationsgeschwindigkeit der Erde und ihre Schwankungen exakt zu messen, wurde in Wettzell in 20-jähriger Forschungsarbeit der Großringlaser entwickelt, der im Vergleich zu ähnlichen Systemen die weltweit genauesten Daten liefert. Er ähnelt im Prinzip dem in der modernen Navigationstechnik bekannten Lasergyroskop. Gegenüber den anderen Verfahren lassen sich damit Änderungen der Erdrotation bestimmen, ohne auf externe Orientierungspunkte wie Satelliten oder Quasare angewiesen zu sein.

Das empfindliche Instrument mit einem Ausmaß von vier mal vier Metern befindet sich in einem unterirdischen Labor, das durch einen mehrere Meter hohen Erdhügel gegen Temperaturschwankungen und andere Umwelteinflüsse abgeschirmt ist. Dass ich dieses streng geschützte Heiligtum betreten durfte, verdanke ich Frau Dr. Eva Schroth, die als Geodätin am Observatorium Wettzell arbeitet und mich bei meinen Recherchen mit wertvollen Informationen unterstützte.

Der von vier quadratisch angeordneten Edelstahlrohren gebildete Ring wird von den beiden Strahlen eines Helium-Neon-Lasers in entgegengesetzter Richtung umlaufen (siehe »Präzision im Quadrat«). Wegen der Erdrotation ändert sich die effektive Resonatorlänge der beiden gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen in unterschiedlicher Weise: Für den einen Strahl verlängert sich der Weg, während er sich für den der Drehrichtung entgegenlaufenden Strahl verkürzt, wodurch es auch zu unterschiedlichen Resonanzfrequenzen kommt. Bei der Überlagerung der beiden Lichtwellen entsteht wegen des Unterschieds eine Schwebung, aus deren Frequenz sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde direkt bestimmen lässt. Mit diesem nach dem französischen Physiker Georges Sagnac (1869–1928) benannten Effekt lassen sich noch Änderungen der Tageslänge von 0,1 Millisekunden bestimmen. Mithilfe dieser Methode konnten beispielsweise die Gezeiten der festen Erde und die tägliche sowie die langperiodische Polbewegung sicher nachgewiesen werden.

Das supraleitende Gravimeter

Ein Relativgravimeter wird in den Geowissenschaften dazu genutzt, zeitliche Änderungen des Erdschwerefelds zu erfassen. Solche Änderungen können verschiedene Ursachen haben und mit zeitlich sehr unterschiedlich langen Perioden auftreten. Sie reichen von seismisch induzierten Eigenschwingungen der Erdkruste mit einer Periodendauer ab zehn Minuten über die Gezeiten des festen Erdkörpers mit halb- bis ganztägigen Perioden bis hin zu Schwereänderungen als Folge der Polbewegung. Diese weist eine Periode von 433 Tagen auf und ist als Chandler-Wobble bekannt. Die nach dem US-amerikanischen Astronomen Seth Carlo Chandler (1846–1913) benannte Polschwankung beträgt am Pol nur einige Meter und ist darauf zurückzuführen, dass die Hauptträgheitsachse der Erde nicht genau mit ihrer Rotationsachse zusammenfällt: Die Erde taumelt.

Das Herzstück des Gravimeters bildet im Prinzip eine supraleitende Spule, deren Magnetfeld eine Hohlkugel von einem Zoll Durchmesser – bestehend aus dem ebenfalls supraleitenden Schwermetall Niob – in der Schwebe hält. Wenn nun durch gravitative Kräfte verursachte Beschleunigungsänderungen auf den Probekörper einwirken, um ihn aus der definierten Nulllage auszulenken, sorgt ein Regelsystem mit einer weiteren Spule dafür, dass die Probemasse in ihrer Nullposition gehalten wird. Die hierfür erforderliche elektrische Spannung bildet das eigentliche Messsignal, das sich durch eine hohe Auflösung auszeichnet und mit dem man Beschleunigungen mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 Nanometer pro Quadratsekunde messen kann. Das System besitzt wegen seiner geringen instrumentellen Drift außerdem eine gute Langzeitstabilität. Die hohe Messempfindlichkeit wird dadurch gewährleistet, dass sich das gesamte Gravimeter in einem mit flüssigem Helium gefüllten Dewar-Gefäß befindet, in dem eine konstante Temperatur von 4,2 Kelvin eingehalten wird (siehe »Horchposten für das Schwerefeld«). Das Instrument ist in ein weltweites Netz supraleitender Gravimeter eingebunden.

Sonnenstürme vorhersagen

Zu den Aufgaben des Observatoriums Wettzell gehört auch die kontinuierliche Überwachung des Weltraumwetters: Wenn der von der Sonne ausgehende Teilchenstrom, also der Sonnenwind, in Zeiten erhöhter Sonnenaktivität die Erde als Sonnensturm erreicht, kann es dort zur Beeinträchtigung der Infrastruktur, zu Stromausfällen oder zur Störung der Kommunikation kommen. Um solche Ereignisse besser vorhersagen zu können, wird mit einem speziellen Radioteleskop die spektrale Flussdichte der solaren Radiostrahlung im Spektralbereich zwischen 1,4 und 5 Gigahertz kontinuierlich aufgezeichnet. Diese Messgröße hängt eng mit der Sonnenaktivität zusammen und bildet eine der Grundlagen für die Vorhersage des Weltraumwetters (siehe »Die unruhige Sonne im Blick«).

Zu den geodätischen Raumverfahren, die in Wettzell durchgeführt werden, zählen neben VLBI und SLR schließlich noch die globalen Navigationssatellitensysteme (GNSS) sowie das System DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite). Unter dem Begriff GNSS fasst man satellitengestützte Navigationssysteme zusammen, von denen das US-amerikanische GPS wohl das bekannteste ist. Weitere Systeme werden von der Europäischen Union (Galileo), Russland (Glonass) und der Volksrepublik China (Beidou) unterhalten. Im Prinzip beruht die Positionsbestimmung mit GNSS auf der Laufzeitmessung der von den Satelliten ausgesandten Radiosignale. Unter Einbeziehung von mindestens vier Navigationssatelliten lässt sich aus deren jeweiliger Entfernung die Position des Empfängers auf der Erde berechnen. Da die Präzision einer solchen Positionsbestimmung wesentlich von der genauen Kenntnis der Satellitenbahnen abhängt, werden diese von permanent beobachtenden Referenzstationen laufend überprüft. Wettzell fungiert als eine dieser weltweit verteilten Referenzstationen und betreibt hierfür auf dem Observatoriumsgelände mehrere GNSS-Empfänger sowie ein eigenes GNSS Operation Center.

Das System DORIS lässt sich gewissermaßen als die Umkehrung des GNSS-Verfahrens verstehen, denn bei diesem System wird ein von der Bodenstation ausgesandtes Radiosignal vom Satelliten empfangen, das je nach Bahnbewegung des Satelliten infolge des Dopplereffekts eine Frequenzverschiebung erfährt. Hieraus ergeben sich dann die Geschwindigkeit und die Bahn des Satelliten. Mit seiner großzügigen Ausstattung gehört das Observatorium Wettzell zu den weltweit nur sechs Stationen, an denen alle vier geodätischen Raumverfahren gleichzeitig zur Verfügung stehen.