Wie der Klimawandel die Erdrotation und die Tageslänge beeinflusst
Die Umverteilung von Masse durch das Schmelzen von Eisschilden, Eisschelfen und Gletschern hat einen Einfluss auf die Erdrotation mit Auswirkungen auf die Tageslänge und die Position der Rotationsachse.
Das schnelle Schmelzen der polaren Eismassen in Grönland und in der Antarktis führt zu einer erheblichen Massenverlagerung auf der Erdoberfläche. Welche Auswirkungen diese Umverteilung auf die Erdrotation und auf die Rotationsachse hat, beschreiben zwei neue Studien unter der Leitung der ETH Zürich, die gestern in Proceedings of the National Academy of Sciences und vergangenen Freitag in Nature Geoscience veröffentlicht wurden.
In der ersten Studie widmeten sich Benedikt Soja, Professor für Weltraumgeodäsie am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich, und sein Team dem Einfluss des Klimawandels auf die Rotationsgeschwindigkeit der Erde und fanden heraus, dass die Tage auf der Erde aufgrund des Klimawandels länger werden. Es handelt sich jedoch nur um einige Millisekunden, die zu den derzeit rund 86.400 Sekunden hinzukommen.
Die Ursache für die Erhöhung der Tageslänge liegt in der Massenverlagerung durch den Eisverlust wobei sich das Schmelzwasser im globalen Ozean verteilt, sich aber vor allem im Äquatorbereich sammelt.
Professor Soja beschreibt den Effekt in einer Pressemitteilung der Universität anhand eines bekannten Beispiels: «Man kann sich das so vorstellen, wie wenn eine Eiskunstläuferin bei einer Pirouette die Arme zuerst am Körper hält und dann ausstreckt.» Die Geschwindigkeit der Drehung nimmt ab, sobald sich die Massen von der Drehachse entfernen. Dem zugrunde liegt das physikalische Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses, dem auch die Erdrotationsbewegung folgt, die sich verlangsamt und so die Tage länger werden lässt. Die Änderungen sind zwar nur minimal und für uns nicht wahrnehmbar aber die neuen Ergebnisse verdeutlichen, welchen Einfluss der Klimawandel, und somit wir Menschen, auf so große natürliche Gegebenheiten haben.
Eine seit Milliarden von Jahren bestehende natürliche Ursache für die Verlangsamung der Erdrotation und die Zunahme der Tageslänge ist die vom Mond induzierte Gezeitenreibung. Die Studie kommt jetzt allerdings zu dem Schluss, dass die vom Klimawandel verursachte Verlangsamung bei weiterhin hohen Kohlenstoff-Emissionen einen stärkeren Effekt auf die Rotationsgeschwindigkeit der Erde hätte als der Mond.
«Wir Menschen haben einen grösseren Einfluss auf unsere Erde als wir denken», sagt Professor Soja, «und daraus resultiert natürlich auch eine grosse Verantwortung für die Zukunft unseres Planeten.»
Die Rotationsachse wandert
In ihrer zweiten, in Nature Geoscience veröffentlichten Studie, beschreibt das Forschungsteam, ebenfalls unter der Leitung von Professor Soja, mit Hilfe künstlicher Intelligenz — sogenannter physikinformierter neuronaler Netze — dass sich aufgrund des Klimawandels auch die Rotationsachse der Erde verschiebt.
Bei der Polbewegung, die auch natürlicherweise stattfindet, wandern die Punkte, an denen die Drehachse auf die Erdoberfläche trifft. Forschende beobachten eine Bewegung von etwa 10 Metern pro Jahrhundert, die nicht nur durch den Verlust von Eismassen, sondern auch durch über längere Zeiträume ablaufende Verlagerungen tief im Erdmantel stattfinden. Massenverlagerungen gibt es auch im äußeren Erdkern, wo Wärmeströmungen flüssiges Metall verschieben.
Noch nie zuvor konnte gezeigt werden, wie die Wanderung der Pole aus den verschiedenen Prozessen im Erdkern und Erdmantel und durch die Klimaveränderungen bedingt wird. «Wir präsentieren zum ersten Mal eine vollständige Erklärung für die Ursachen der langperiodischen Polbewegung», sagt Mostafa Kiani Shahvandi, Doktorand von Professor Soja und Erstautor beider Studien. «Wir wissen jetzt, warum und wie die Rotationsachse der Erde relativ zur Erdkruste wandert.»
Besonders bemerkenswert ist die Erkenntnis, dass die oberflächlichen Prozesse mit denen tief unter der Erdoberfläche miteinander verknüpft sind und sich gegenseitig beeinflussen. «Der Klimawandel verursacht eine Bewegung der Erdrotationsachse und es scheint, dass sich durch die Rückkopplung der Drehimpulserhaltung auch die Dynamik des Erdkerns verändert», erklärt Professor Soja.
Kiani Shahvandi fügt hinzu, dass sich der anhaltende Klimawandel sogar auf Prozesse tief im Erdinneren auswirken und weiter reichen könnte als bisher angenommen.
Die Modellberechnungen des Forschungsteams, die die Bewegungen der Erdrotationspole seit 1900 rekonsturieren, sind so genau, dass sie sehr gut mit realen Beobachtungen übereinstimmen, was auch Prognosen für die Zukunft erlaubt.
Geringe Effekte auf der Erde, große Auswirkungen auf die Raumfahrt
Professor Soja merkt abschließend an, dass die Änderungen der Erdrotation bei der Navigation im Weltall berücksichtigt werden müssen, «beispielsweise wenn eine Raumsonde auf einem anderen Planeten landen will.» Was auf der Erde eine Abweichung von nur einem Zentimeter ist, summiert sich über die riesigen Entfernungen zu Abweichungen von mehreren hundert Metern. «Die Landung in einem bestimmten Krater auf dem Mars würde dann nicht klappen.»
Julia Hager, Polar Journal AG
