Geoid: Definition und Bedeutung der wahren Erdgestalt
Geoid erklärt: Definition, Bedeutung und Unterschiede zum Referenzellipsoid – verständlich für Schüler und Fachleute. Bedeutung für Geodäsie, Karten und Meeresspiegelmessung.
Der Geoid hat eine Form wie die Erdoberfläche. Es ist eine geometrische 3-D-Form wie eine Orange. Formen dieser Art werden als abgeflachte Sphäroide bezeichnet, was eine Art Ellipsoid ist.
Das Geoid ist jedoch eine ganz besondere Art von abgeflachtem Sphäroid. Es wird wie folgt definiert:
Das Geoid ist die Form, die die Oberfläche der Ozeane allein unter dem Einfluss der Schwerkraft und der Rotation der Erde annehmen würde, wenn es keine anderen Einflüsse wie Winde und Gezeiten gäbe.
Was das genau bedeutet
Das Geoid ist ein Equipotentialfläche des gesamten Schwerefeldes der Erde, das heißt eine Fläche, auf der die kombinierte potentielle Energie aus Gravitation und Zentrifugalkraft überall gleich ist. Praktisch bedeutet das: Würde man das Meer überall von Einflüssen wie Wind, Strömungen und Gezeiten befreien, würde seine ruhende Oberfläche der Geoidfläche entsprechen. Diese gedachte Fläche setzt sich gedanklich unter den Kontinenten fort und bildet damit die Bezugsebene für Höhenangaben, die sogenannten Orthometrischen Höhen.
Unterschied zum Referenzellipsoid
Für viele Berechnungen verwendet man jedoch eine mathematisch glatte, regelmäßigere Form der Erde, das Referenzellipsoid (ein Rotationsellipsoid). Das Referenzellipsoid ist eine ideale, einfache Näherung der Erdgestalt – nützlich für Kartenprojektionen und Satellitennavigation. Der Unterschied zwischen Ellipsoid- und Geoidoberfläche wird als Geoidundulation oder Geoidhöhe bezeichnet und kann lokal erheblich sein.
Die Beziehung zwischen den folgenden Höhen ist wichtig in der Geodäsie:
- h — ellipsoidische Höhe (z. B. von GPS gemessen)
- H — orthometrische Höhe (Höhe über dem Geoid, "Meereshöhe")
- N — Geoidundulation (N = h − H)
Größe der Unterschiede
Die Geoidundulationen liegen weltweit im Bereich von einigen Dezimetern bis zu einigen zehn Metern, lokal können sie jedoch auch bis zu rund ±100 Meter betragen. Diese Abweichungen entstehen durch ungleichmäßige Massenverteilung im Erdinneren und Unterschiede im Schwerefeld.
Warum das Geoid wichtig ist
Das Geoid ist die natürliche Referenz für Höhenmessungen. Wenn man z. B. mit GPS die ellipsoidische Höhe h bestimmt, muss man die Geoidhöhe N kennen, um die für Bau, Vermessung oder Hydrologie übliche orthometrische Höhe H zu erhalten. In der Ozeanographie und Klimaforschung liefert das Geoid eine Referenz, um Meeresströmungen und Anomalien der Meereshöhe zu interpretieren. In der Geophysik geben Abweichungen des Geoids Hinweise auf Massenunterschiede im Erdinneren.
Wie das Geoid bestimmt wird
Die Bestimmung des Geoids erfolgt durch die Kombination verschiedener Datenquellen und Methoden:
- Terrestrische Schwerefeldmessungen (Gravimeter auf dem Land, in Flugzeugen oder Schiffen),
- Satellitendaten (z. B. Bahnstörungen von Satelliten, satellitengestützte Gravimissionsdaten wie GRACE und GOCE),
- Meereshöhenmessungen per Satellitenaltimetrie zur Bestimmung der mittleren Meereshöhe relativ zum Gravitionsfeld,
- Geodätische Messungen (Nivellierung, GNSS) zur Verknüpfung ellipsoidischer und orthometrischer Höhen.
Aus diesen Daten werden globale oder regionale Geoidmodelle berechnet, die in der Praxis zur Umrechnung von Höhen und zur Analyse des Schwerefelds verwendet werden.
Historischer Hinweis
Die Idee eines physikalischen Bezugsniveaus geht auf Arbeiten des 19. Jahrhunderts zurück; der Mathematiker und Geodät Gauß trug wesentlich zur Theorie der Erdgestalt bei. Das Studium der Maße und Formen der Erde wird Geodäsie genannt.
Praxis und Vereinfachungen
In der Ausbildung und in einfachen Erklärungen wird die Erde oft als eine aufgeblasene Orange beschrieben – eine Kugel, die am Äquator breiter ist. Diese Analogie hilft, das Prinzip der Abplattung durch Rotation zu verstehen. Für viele praktische Aufgaben ist das glatte Referenzellipsoid ausreichend; für präzise Höhenangaben, gravimetrische Untersuchungen oder Meeresspiegelstudien hingegen ist die Kenntnis des Geoids unerlässlich.
Zusammenfassend: Das Geoid ist die physikalisch definierte, unregelmäßige Bezugsebene der Erde, die die mittlere Meereshöhe unter einzigem Einfluss von Schwerkraft und Rotation beschreibt. Referenzellipsoide sind dagegen glatte, mathematische Näherungen—beide Konzepte werden in der Geodäsie zusammen verwendet, um genaue Positionen und Höhen zu bestimmen.
Abgeflachte Kugel (übertrieben)
Fragen und Antworten
F: Was ist das Geoid?
A: Das Geoid ist eine dreidimensionale geometrische Form, die einer Orange ähnelt und eine besondere Art von abgeflachtem Sphäroid ist.
F: Wie ist das Geoid definiert?
A: Das Geoid ist definiert als die Form, die die Oberfläche der Ozeane allein unter dem Einfluss der Erdgravitation und der Erdrotation annehmen würde, ohne andere Einflüsse wie Winde und Gezeiten.
F: Wer hat das Geoid definiert und wann?
A: Das Geoid wurde von Gauß im Jahr 1828 definiert.
F: Was ist die Geodäsie?
A: Das Studium der Maße und Formen der Erde wird Geodäsie genannt.
F: Warum sollte man ein Referenzellipsoid anstelle des Geoids verwenden?
A: Für viele praktische Zwecke wird eine einfachere Form verwendet, weil das die Berechnungen erleichtert. Diese Form wird als Referenz-Ellipsoid bezeichnet.
Q: Wie wird die Form der Erde im Grundschulunterricht beschrieben?
A: Im Grundschulunterricht wird die Form der Erde als orangefarben beschrieben, eine Kugel, die jedoch um den Äquator herum breiter ist.
F: Gibt es ähnliche Formen wie das Geoid auch bei anderen Himmelskörpern, die sich drehen?
A: Ja, diese Form wird von allen sich drehenden Himmelskörpern, wie Sternen und Planeten, erzeugt. Die Details unterscheiden sich in jedem einzelnen Fall etwas.
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