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Retroreflektor der Apollo 11 MissionBeim Lunar Laser Ranging (kurz: LLR) werden, von Bodenstationen auf der Erde ausgehend, Laufzeitmessungen von Laserpulsen zum Mond nach dem Puls-Echo-Verfahren durchgeführt. LLR-Messungen liefern Informationen zum Erde-Mond-System, zu Erdrotationsparametern sowie Parametern zur Überprüfung von Grundannahmen der Gravitationsphysik.
Gegenwärtig liegt die Genauigkeit der Messungen bei einigen Zentimetern in der Erde-Mond-Distanz (dieser Abstand beträgt im zeitlichen Mittel rund 384.400 km).Inhaltsverzeichnis
Reflektoren auf dem Mond
Der erste Laser-Retroreflektor wurde im Juli 1969 von Astronauten der Apollo-11-Mission auf der Mondoberfläche installiert. Zwei weitere Reflektoren 1971 von der Apollo 14 und 15. Nachdem bereits 1970 ein Reflektor der sowjetischen Lunochod-1-Mission offenbar beim Rückstart der Raumsonde verstaubte und dadurch unbrauchbar wurde, konnte schließlich 1973 ein weiterer Reflektor durch die Lunochod-2-Mission abgesetzt werden.
Die Reflektoren haben die Eigenschaft, ankommendes Laserlicht genau in dieselbe Richtung zurückzuwerfen, aus der die Strahlung kommt. Sie bestehen aus bis zu 300 Tripelprismen von jeweils 4 cm Durchmesser, welche auf einen Aluminiumrahmen montiert sind.LLR-Bodenstationen
Seit dem Absetzen des ersten Reflektors auf dem Mond durch die Apollo-11-Mission werden Messungen am McDonald-Observatorium nahe Fort Davis, Texas durchgeführt. 1984 wurde eine weitere Station des Lure Observatory auf dem Haleakalā auf der Insel Maui, Hawaii sowie eine Laserstation des Observatoire du Calerne in Grasse in Betrieb genommen. Im Jahre 2005 wurde das Apollo-System (Apache Point Observatory Lunar Laser-Ranging Operation) in New Mexico in Dienst gestellt. Gelegentlich wurden auch Beobachtungen auf der geodätischen Fundamentalstation Wettzell im Bayerischen Wald, sowie auf der australischen Station Orroral ausgeführt.
Ablauf der Messungen
Beim Lunar Laser Ranging wird nach dem Puls-Echo-Verfahren gearbeitet. Gemessen wird die Laufzeit zwischen dem Abgang eines Pulses bis zu dessen Rückkehr. Dazu werden kurze Laserpulse mit einer Pulslänge von 150 Picosekunden von Stationen auf der Erde abgestrahlt, diese werden von den auf dem Mond befindlichen Reflektoren zurückgesendet, um von den Bodenstationen wieder empfangen zu werden. Bei einer Pulsleistung von einem Gigawatt und typischen Laserfrequenzen enthält eine Strahlungsscheibe (Durchmesser: 75–150 cm/Dicke: 5 cm) etwa 10^19 Photonen, die auf dem Mond eine ca. 20 km² große Fläche beleuchten. Wenige Photonen treffen auf einen der ca. 1 m² großen Retroreflektoren und nur etwa ein einziges Photon in zehn Pulsen findet nach rund 2,5 Sekunden seinen Weg zurück durch die Apertur des Empfangsteleskop.
Auswertung der LLR-Messung
Die Herausforderung bei der Auswertung besteht darin, einzelne angekommene Photonen aus einer Menge von Störphotonen herauszufinden. Dazu werden Fenster im Frequenz- und Zeitbereich gesetzt, in dem die richtigen Photonen zu erwarten sind. Während die Störereignisse mehr oder weniger gleichmäßig über das gesamte Registrierungsintervall verteilt sein werden, ist das Nutzsignal in einem wesentlich engeren Bereich zu erwarten. Das Registrierungsintervall wird in viele Teilintervalle zerlegt und ein Histogramm gebildet. Aus diesem wird ein Normalpunkt konstruiert, der in gewissem Sinne eine Pulsankunftszeit repräsentiert. Derzeit stehen über 11.500 Normalpunkte zur Verfügung. Die Analyse der Normalpunkte gelingt mit Hilfe umfangreicher Programmpakete. Diese enthalten einen Ephemeridenteil für die Bewegung der astronomischen Körper einerseits und einem Teil, welcher der Parameterschätzung dient.
Ergebnisse aus LLR-Messungen
Laserentfernungsmessungen liefern Informationen zu verschiedenen Aspekten des Erde-Mond-Systems, wie zum Beispiel geozentrische Stationskoordinaten, die auf ca. 3–5 cm genau bestimmt werden können. Da sich die Laserstationen zum Teil auf unterschiedlichen Kontinentalplatten befinden, können optional Stationsbewegungen in Form von Driftraten mit einer Genauigkeit von rund 0,4 cm geschätzt werden. Weiterhin lassen sich aus LLR-Daten wichtige Informationen zum Gravitationsfeld (darunter die Massenmultipolmomente des Mondes), sowie zur Gezeitendeformation des Mondes ableiten. Aufgrund der Gezeitenreibung wird die Rotation der Erde abgebremst, da jedoch der Drehimpuls im Erde-Mond-System erhalten bleibt, entfernt sich gegenwärtig der Mond um ca. 3,8 cm pro Jahr von der Erde.
Darüber hinaus können aus Laserentfernungsmessungen zum Mond relativistisch bedeutsame Größen und Erdrotationsparameter abgeleitet werden.Weblinks
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