Das Schwerefeld der Erde als Basis des Internationalen-Höhen-Referenz-Systems

Ein Meeresspiegel für alle

Der bisher verwendete mittlere Meeresspiegel hatte einen Geburtsfehler: Er war nie eine fixe Größe. Jedes Land konnte ihn mit Hilfe beliebiger Pegelmessstationen bestimmen und damit sein eigenes Nullniveau festlegen. So ist der offizielle Meeresspiegel in Deutschland 31 Zentimeter höher als in Italien, 50 Zentimeter höher als in Spanien und sogar 2,33 Meter höher als in Belgien, wo sich die Höhe Null auf den Niedrigwasserstand in Ostende bezieht.

Solche Unterschiede sind nicht weiter störend, wenn man topographische Karten nur zum Wandern verwendet. Eine größere Herausforderung sind die unterschiedlichen Nullniveaus für Geodätinnen und Geodäten, die – wie am Mount Everest, der zur Hälfte zu Nepal und zur anderen Hälfte zu China gehört – eine Höhe ermitteln sollen, die von allen anerkannt wird. Und richtig teuer kann es werden, wenn bei der Planung grenzüberschreitender Bauwerke wie Brücken oder Tunneln vergessen wird, die unterschiedlichen Koordinaten der Teams abzugleichen und gegebenenfalls umzurechnen. Bei der Hochrheinbrücke zwischen Deutschland und der Schweiz wurde ein solcher Fehler gerade noch rechtzeitig bemerkt und konnte in der Bauphase korrigiert werden.

„Die Einführung eines international gültigen Bezugssystems war längst überfällig“, erklärt die TUM-Forscherin Dr. Laura Sánchez vom Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut (DGFI-TUM), die seit mehreren Jahren die Arbeitsgruppen zu theoretischen Aspekten und zur Implementierung des neuen globalen Höhenreferenzsystems in der Internationalen Assoziation für Geodäsie leitet.  

Die Lösung liegt auf der Hand. Man braucht eine Nullhöhe, die für alle gilt. Im neuen Internationalen-Höhen-Referenz-System IHRS wird definiert, wie diese berechnet werden kann: Berücksichtigt wird dabei die Form der Erde – diese ähnelt zwar einer Kugel, ist aber durch ihre Rotation an den Polen abgeplattet und am Äquator leicht ausgebeult –, sowie die ungleichmäßige Verteilung der Massen im Erdinneren beziehungsweise an der Oberfläche. Die Unregelmäßigkeiten des Schwerefeldes, die durch diese Massenverteilung verursacht werden, sind die Grundlage für die Berechnung des Höhensystems, denn Stärke und Ausrichtung der Schwerkraft bestimmen die Verteilung des Wassers in den Ozeanen. Tut man nun so, als wäre die ganze Erdkugel von Wasser bedeckt, lässt sich die Höhe eines hypothetischen Meeresspiegels und damit die Höhe Null für den gesamten Globus exakt bestimmen.

„Erst die Verfügbarkeit von globalen Daten aus Satellitenmissionen wie dem ESA-Erdbeobachtungssatelliten GOCE – die Abkürzung steht für Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer – hat die Realisierung des IHRS ermöglicht“, sagt Prof. Roland Pail vom TUM-Lehrstuhl für Astronomische und Physikalische Geodäsie. Sein Team hat die GOCE-Messungen maßgeblich ausgewertet und daraus globale Modelle des Erdschwerefeldes berechnet. „Die so gewonnenen Informationenbilden die Grundlage, um mit dem neuen internationalen Höhen-Referenz-System für jeden Punkt der Erde, gleichgültig ob sich dieser auf einem Kontinent oder einem Ozean befindet, den Mittleren Meeresspiegel und damit das international gültige Nullniveau zu errechnen“, erklärt Sánchez.

Müssen jetzt alle Karten neu gezeichnet werden? „So dramatisch wird es wohl nicht werden“, beteuert Sánchez. „In den Industriestaaten, wo schon seit Jahrzehnten Schweremessungen durchgeführt wurden, sind die Abweichungen gering und liegen nur im Dezimeterbereich.“ Doch wenn es beispielsweise um Bauprojekte gehe, seien selbst kleine Abweichungen ein großes Ärgernis. Daher werde sich das neue Bezugssystem schnell durchsetzen, davon ist die Forscherin überzeugt.