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«Abstracts der Vorträge Vorträge zum Prolog am 12.02.2015 Hans Sünkel (Graz), Mitglied der Leibniz-Sozietät, Technische Universität Graz mailto: ...»

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Kolloquium der Leibniz-Sozietät der Wissenschaften zu Berlin e.V. am

13.02.2015 in Berlin anlässlich des 75. Geburtstages von Erik W.

Grafarend, Mitglied der Leibniz-Sozietät, mit Prolog am 12.02.2015

Abstracts der Vorträge

Vorträge zum Prolog am 12.02.2015

Hans Sünkel (Graz),

Mitglied der Leibniz-Sozietät, Technische Universität Graz

mailto: hans.suenkel@tugraz.at

Das Geoid – theoria cum praxi et commune bonum

Das komplexe Objekt Erde hat mannigfache Gesichter: Form und Größe, Dichte-, Druck- und Temperaturverteilung, Rotationsverhalten, dynamische Prozesse, Magnetfeld, Schwerefeld und dergleichen mehr. Und jede individuelle Betrachtung liefert ein ebenso individuelles Bild des Objektes Erde, und erst die Kombination dieser Einzelbilder lässt uns Zusammenhänge erkennen, gedanklich und schließlich mathematisch-numerisch in ihr Innenleben vordringen und so sukzessive das System Erde besser verstehen. Unsere wissenschaftliche Neugier drängt uns danach und die wirtschaftlichen Notwendigkeiten sind es, die unserem Anliegen Nachdruck verleihen.

Wenn das wissenschaftliche Hauptaugenmerk auf das Schwerefeld der Erde und seine Figur in mathematisch-physikalischer Ausprägung gelegt wird, dann steht das „Geoid“ im Fokus der Betrachtung. Die Geodäsie beschreibt das Geoid als eine „Äquipotentialfläche im mittleren Meeresniveau“. Sehr viel salopper könnte das Geoid als „Role Model“ gelten– eine statische Fläche, die in guter Näherung durch die Oberfläche eines (fiktiven) ruhenden Ozeans beschrieben wird. Und besonders bodenständig könnte man sich der Wasserwage bedienen, diesen „Sensor“ an jedem beliebigen Punkt des Geoids in jeder beliebigen Richtung anlegen, und er würde stets „horizontal“ melden. In diesem Sinne ist dieses „Role Model“ namens Geoid gleichsam eine globale Horizontale.

Wissenschaftliche Neugier oder vielleicht doch Notwendigkeit? Drei Antworten seien hier gegeben, die eine Brücke spannen von der Theorie über den Weg der Praxis bis hin zur

wirtschaftlichen Notwendigkeit - theoria cum praxi et commune bonum:

1. Geoid und das Erdinnere: Wenn man von der Rotation der Erde absieht, dann ist es die nicht ganz regelmäßige Massenverteilung des gesamten Erdkörpers, die dem Geoid seine unregelmäßige Form verleiht, da sich die Massenverteilung im Gravitationsfeld und folglich im Geoid abbildet. Der Umkehrschluss scheint daher naheliegend, nämlich aus der Kenntnis des Geoids einen Blick in das Erdinnere zu wagen und zu versuchen, aus der Wirkung „Gravitationsfeld“ auf seine Ursache „Massenverteilung“ zu schließen. Dieser erhoffte Blick ins Erdinnere ist jedoch mit einem schwierigen inversen Problem gleichzusetzen, das nicht eindeutig ist und zur Vermeidung von Phantomlösungen zusätzliche Quelleninformation, vor allem in Form der Laufzeit seismischer Wellen, benötigt.

2. Geoid und Meeresoberfläche: Die tatsächliche Meeresoberfläche ist von Strömungen und Oberflächenwellen gekennzeichnet, die zahlreiche Ursachen haben: Erdrotation, Gezeiten, Wind, Temperatur, Luftdruck, aber auch Salzgehalt, etc. bewirken eine Dynamik der Ozeane und somit eine Abweichung der Meeresoberfläche vom ruhenden „Role model“.

Und wenn die Geometrie der Ozeanoberfläche auf das (physikalisch definierte) Geoid bezogen wird, so erhalten wir Kenntnis über die globalen Ozeanströmungen und somit auch über die Umverteilung von Wärmeenergie als bedeutende Information für die Klimaforschung.

3. Geoid als Höhenbezugsfläche: Alle orthometrischen Höhen werden von diesem „Role Model“ aus gezählt. Das Geoid ist somit eine Bezugsfläche für Höhen. Und absolute Höhen hoher Genauigkeit erfordern auch eine absolute Bezugsfläche mit ebensolcher Genauigkeit. Also benötigen wir ein Geoid gleichsam als lokal horizontale Plattform, als Bezugsfläche mit der größtmöglichen Genauigkeit.

Globale Strukturen erfordern naturgemäß globale Verfahren zu deren Bestimmung. Daher wurden seit dem Jahr 2000 gleich drei dedizierte Satellitenmissionen realisiert, die allesamt mit unterschiedlicher Schwerpunktsetzung – ein Ziel verfolgten, nämlich die Bestimmung des Geoids: CHAMP, GRACE und GOCE. Eine daraus abgeleitete Geoidlösung ist zwar global und hoch genau, ihre räumliche Auflösung ist jedoch systembedingt begrenzt. Es bedarf daher regionaler Verfeinerungen auf der Basis terrestrischer Schwerefelddaten und einer konsistenten Verarbeitung durch Datenkombination.

Und eine Projektion in die ferne Zukunft lässt uns spekulieren, die auf das Geoid bezogenen Höhen präzise mit Uhren (!) zu messen und nicht mehr durch Nivellement wie bisher. Raum wird also ersetzt durch Zeit, und der allgemein-relativistische Effekt der – wenn auch extrem geringen - Frequenzabhängigkeit von Atomuhren vom jeweils lokalen Gravitationspotential wird uns dies ermöglichen.

Und schließlich wird das Global Geodetic Observing System der sich abzeichnenden Zukunft mit dem Geoid als integrierter global-horizontaler Plattform wird aber noch sehr viel mehr bieten: ein präzises Monitoring unseres gesamten Planeten als Grundvoraussetzung für das Verständnis seiner dynamischen Entwicklung und deren Vorhersage. Diese Weiterentwicklung beruht naturgemäß auf theoretischen Entwicklungen und deren Umsetzung in Hochtechnologie, aber ebenso auf interdisziplinärem Handeln und intensiver internationaler Zusammenarbeit – ein Tun, das keine Grenzen kennt – weder fachliche, noch nationale – theoria cum praxi et commune bonum.





***** Harald Schuh (Potsdam), Mitglied der Leibniz-Sozietät, Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ Potsdam, Vicepresident International Association of Geodesy mailto: schuh@gfz-potsdam.de Beiträge der Geodäsie zur Beobachtung von Naturgefahren und globalen Veränderungen Definition und Realisierung von präzisen und stabilen Referenzrahmen spielen eine wichtige Rolle in der modernen Geodäsie, da sie erforderlich sind, wenn wir Veränderungen auf der Erde wie die Plattentektonik oder den globalen Meeresspiegelanstieg erfassen möchten. Es wird eine Übersicht über die verschiedenen Naturgefahren und die Phänomene globaler Veränderung gegeben, die mittels geodätischer Verfahren beobachtet werden können.

Verschiedene Messverfahren kommen abhängig vom räumlichen Maßstab zum Einsatz, von geodätischen Weltraumverfahren wie GNSS (globale Navigationssatellitensysteme), SLR (Laserentfernungsmessungen zu Satelliten), VLBI (Radiointerferometrie auf langen Basislinien) und DORIS (Bahnbestimmung von Satellitenbahnen mit Hilfe des Dopplereffekts von Radiosignalen) bis zu lokalen Messungen mit geodätischen Vermessungsinstrumenten. All diese Verfahren werden in GGOS (Global Geodetic Observing System), dem globalen Beobachtungssystem der Internationalen Assoziation für Geodäsie (IAG) kombiniert. Das Konzept dieses integrativen Unterfangens wird vorgestellt. Anhand von Fallbeispielen wird die essentielle Rolle präziser geodätischer Daten, genauer Analysemethoden und realistischer mathematischer und physikalischer Modelle gezeigt.

***** Vorträge zum Kolloquium am 13.02.2015 Helmut Moritz (Graz), Mitglied der Leibniz-Sozietät, Technische Universität Graz mailto: helmut.moritz@tugraz.at Erik Grafarend und die theoretische Geodäsie Man findet heute kaum einen Wissenschaftler, einen Geodäten, der in seinem Denken und seinem Werk eine so umfassende und vollständige Synthese aller relevanten Gebiete der Mathematik und Physik aufgebaut hat wie Erik Grafarend. Nicht nur der Theorie wegen, sondern auch immer in Hinblick auf Anwendungen. Seinem Feuergeist gelingt ihm auch immer wieder, jüngere Wissenschaftler aus Geodäsie, Mathematik und Physik zur Mitarbeit zu gewinnen. Seine Universalität erinnert an Leibniz (Leibniz-Sozietät !) ; ich möchte ihn als Humanisten bezeichnen.

Einführung Der Begriff der Geodäsie als Vermessung und Kartierung der Erdoberfläche ist eine der ältesten Aufgaben der Menschheit. Auf Deutsch heißt sie „Erdmessung“, ins Griechische wörtlich übersetzt: „geometria“. Die „Geometrie“ ist aber sehr bald ein sehr allgemeiner Begriff geworden, ein Teil der Mathematik, und Geodäsie (griechisch wörtlich „Erdteilung“) ist nur mehr ein Teil der Geometrie, zusammen mit grundlegenden Aufgaben der Physik.

Freilich haben die Probleme der Erdmessung seit mehr als zwei Jahrtausenden wesentliche Anregungen für Mathematik und Physik geliefert, von Pythagoras über die großen französischen Mathematiker des 18. Jahrhunderts und schließlich über Carl Friedrich Gauß bis in die heutige Zeit.

Hauptarbeitsgebiete von Erik Grafarend Physikalische Geodäsie. Das klassische Gebiet der physikalischen Geodäsie umfasst also Anwendung der Mathematik und Physik auf die Erdmessung, einschließlich der Satellitengeodäsie. Von Grafarend hauptsächlich bearbeitet ist moderne Differentialgeometrie, zunächst in der Relativitätstheorie (Einstein-Cartan-Weil), aber auch der Anwendung der klassischen Mechanik (und verschiedener Variationsprinzipien nach Fermat, Hamilton, Jacobi usw.) in der modernen Geodäsie. Auf letzterem Gebiet ist ihm gelungen, namhafte Mathematiker und Physiker zur Zusammenarbeit zu gewinnen, vor Allem aber auch jüngere Wissenschaftler. Hier würde ich ihn als Pionier bezeichnen. Neuerdings arbeitet er auch auf dem schwierigen Gebiet der Differentialgeometrie im Größen, nicht nur theoretisch, sondern auch auf die geodätische Anwendung hin orientiert.

Kartographie und Kartenprojektionen. Schon früh hat Erik Grafarend seine mathematischen Kenntnisse in neuartiger Weise auf das klassische Gebiet der mathematischen Kartographie angewendet. Das Ergebnis sind klassische Vorlesungen und zwei Lehrbücher (!).

Photographie und Fernerkundung gelten als spezielle Fachgebiete. Für Erik Grafarend sind sie aber ein Hobby: ein Lehrbuch ist im Druck.

Ausgleichungsrechnung. Weltweit anerkannt sind seine Beiträge zu Ausgleichsrechnung, Statistik und Wahrscheinlichkeitstheorie, aber auch Statistik auf Mannigfaltigkeiten (Kugel und Ellipsoid): geodätische stochastische Prozesse: drei Bücher.

Allgemeines und Schlusswort. Erik Grafarend ist ein feinsinniger und hilfsbereiter Mensch (was ich persönlich erleben durfte) Auch seine vielseitigen Interessen (von Musik bis Philosophie) und sein Humanismus sind sehr bemerkenswert. Er ist ein seltener Universalgelehrter, der an Leibniz erinnert.

***** Heinz Kautzleben (Berlin), Mitglied der Leibniz-Sozietät, Sprecher des Arbeitskreises Geo-, Montan-, Umwelt-, Weltraum- und Astrowissenschaften mailto: kautzleben@t-online.de Laudatio der Leibniz-Sozietät auf ihr Mitglied Erik W. Grafarend (Stuttgart) Die Leibniz-Sozietät, rechtsverbindlich: Leibniz-Sozietät der Wissenschaften zu Berlin e.V., ist eine akademische Gelehrtengesellschaft. Sie vereint aktuell über 300 Gelehrte, sie vertreten fast ebenso viele unterscheidbare Fachgebiete aus den Natur- und den Humanwissenschaften, den Technikwissenschaften, der Medizin, den Sozial- und den Geisteswissenschaften, eben auch den Geo-, Montan-, Umwelt-, Weltraum- und Astrowissenschaften.

Erik Grafarend wurde im Mai 2004 durch das Plenum der Leibniz-Sozietät zum Mitglied dieser Gelehrtengesellschaft gewählt.

Die Leibniz-Sozietät ist die Gelehrtengesellschaft, deren Mitglieder sich laut Statut vereinen, um die Wissenschaft zu fördern (erstens) auf akademie-typische Weise, (zweitens) in der Tradition der Gelehrtengesellschaft, die nach den Vorstellungen von Gottfried Wilhelm Leibniz 1700 als „Kurfürstlich Brandenburgische Sozietät der Wissenschaften“ gegründet wurde und seitdem ohne Unterbrechung mit dem Sitz in der historischen Mitte von Berlin besteht und tätig ist, ab 1993 als privatrechtlicher Verein mit dem Namen „Leibniz-Sozietät der Wissenschaften zu Berlin“, und (drittens) uneigennützig im Interesse der Allgemeinheit.

Mitglied der Leibniz-Sozietät können nur hervorragende Wissenschaftler mit anerkannten Forschungsleistungen und Führungsqualitäten werden – und nur auf dem Wege der Zuwahl.

Das Ansehen und die Leistungen der Gelehrtengesellschaft – folglich auch die Wirkung und der Nutzen für das einzelne Mitglied – werden durch die Mitglieder selbst bestimmt, und zwar durch die Beiträge, die jedes einzelne Mitglied einbringt. Erik Grafarend ist wirklich Mitglied der Leibniz-Sozietät!

Erik Grafarend gehört zu den führenden Gelehrten, die in den alten Ländern der Bundesrepublik Deutschland, dem Kernstaat des heute vereinten Deutschlands, Karriere gemacht haben. Und er gehört von ihnen zu den ersten, die die Zuwahl zum Mitglied der LeibnizSozietät angenommen haben. Er wurde zum Mitglied der Leibniz-Sozietät gewählt, weil er die wissenschaftliche Geodäsie in herausragender Weise vorangebracht hat, weil er auf seinem Fachgebiet Führungsqualitäten und ein unbestechliches Urteilsvermögen besitzt. Wir kannten seine wissenschaftliche Laufbahn, wollten seine Leistungen würdigen und von ihnen profitieren. In den bisher zehn Jahren seiner Mitgliedschaft in unserer Gelehrtengesellschaft hat Erik die in ihn gesetzten Hoffnungen vorbildlich erfüllt.

Aus der Sicht der Leibniz-Sozietät wollen wir drei großartige Leistungen von Erik Grafarend in der universitären Forschung und Lehre unterstreichen: erstens die zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses, zweitens sein Wirken in der Alexander von HumboldtStiftung und drittens als Gutachter der Deutschen Forschungsgemeinschaft für Projektanträge.

Erik Grafarends Leistungen in der wissenschaftlichen Forschung fanden hohe Anerkennung und Würdigung, nicht zuletzt durch die Wahl zum Mitglied von akademischen Gelehrtengesellschaften. Die Leibniz-Sozietät war 2004 die erste, die Erik Grafarend zu ihrem Mitglied wählte. Es folgten 2010 die Finnische Akademie der Wissenschaften und Literatur und die Ungarische Akademie der Wissenschaften.

Hoch anzuerkennen ist seine Mitwirkung im Arbeitskreis Geo-, Montan-, Umwelt-, Weltraum- und Astrowissenschaften der Leibniz-Sozietät. Der Arbeitskreis hat seit seiner Gründung vor etwa zehn Jahren nahezu zehn wissenschaftliche Kolloquien zu Themen der Geodäsie bzw. Geodäsie-relevanten Themen durchgeführt. Zu allen diesen Veranstaltungen hat Erik Grafarend bedeutende Beiträge geleistet, die nachhaltig wirken.



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