Wie der Klimawandel die Erdrotation verändert

Durch den Klimawandel schmelzen die Eismassen in Gr?nland und der Antarktis. Das Wasser aus den Polgegenden fliesst in die globalen Ozeane und vor allem auch in den ?quatorbereich. ?Das heisst, es findet eine Massenverlagerung statt, und diese wirkt sich auf die Erdrotation aus?, erkl?rt Benedikt Soja, Professor f¨¹r Weltraumgeod?sie am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Z¨¹rich.

?Man kann sich das so vorstellen, wie wenn eine Eiskunstl?uferin bei einer Pirouette die Arme zuerst am K?rper h?lt und dann ausstreckt.? Die anf?nglich schnelle Drehung wird dadurch langsamer, weil die Massen sich von der Drehachse entfernen und die physikalische Tr?gheit zunimmt. In der Physik spricht man vom Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses, dem auch die Erdrotationsbewegung gehorcht. Dreht sich die Erde langsamer, werden die Tage l?nger. Der Klimawandel ver?ndert somit auch die Tagesl?nge auf der Erde, wenn auch nur minim.

Unterst¨¹tzt von der US-amerikanischen Raumfahrtbeh?rde NASA haben ETH-Forschende aus Sojas Gruppe zwei aktuelle Studien in den Zeitschriften ?Nature Geoscience? und ?Proceedings of the National Academy of Sciences? (PNAS) ver?ffentlicht, wie sich der Klimawandel auf die Polbewegung und die Tagesl?nge auswirkt.

Klimawandel ¨¹bertrifft Mondeinfluss

In der PNAS-Studie zeigen die ETH-Forschenden, dass sich durch den Klimawandel auch die Tagesl?nge von derzeit rund 86'400 Sekunden um einige Millisekunden erh?ht. Denn Wasser fliesst von den Polen in niedrigere Breiten und verlangsamt dadurch die Rotationsgeschwindigkeit.

Eine andere Ursache f¨¹r diese Verlangsamung ist die Gezeitenreibung, die vom Mond ausgel?st wird. Die neue Studie kommt dabei zu einem ¨¹berraschenden Ergebnis: Wenn die Menschen weiterhin mehr Treibhausgase ausstossen und sich die Erde dementsprechend erw?rmt, h?tte dies letztendlich einen gr?sseren Einfluss auf die Drehgeschwindigkeit der Erde als die Wirkung des Mondes, der seit Milliarden von Jahren die Zunahme der Tagesl?nge bestimmt. ?Wir Menschen haben einen gr?sseren Einfluss auf unsere Erde als wir denken?, schliesst Benedikt Soja, ?und daraus resultiert nat¨¹rlich auch eine grosse Verantwortung f¨¹r die Zukunft unseres Planeten.?

Die Drehachse der Erde verschiebt sich

Die durch die Eisschmelze bedingten Massenverlagerungen auf der Erdoberfl?che und im Erdinnern ver?ndern aber nicht nur die Rotationsgeschwindigkeit und die Tagesl?nge der Erde: Wie die Forschenden in ?Nature Geoscience? zeigen, verschieben sie auch die Rotationsachse. Das heisst, die Punkte, wo die Drehachse konkret auf die Erdoberfl?che trifft, wandern. Diese Polbewegung k?nnen die Forschenden beobachten. L?ngerfristig liegt sie im Bereich von etwa zehn Meter pro hundert Jahre. Dabei spielen nicht nur das Abschmelzen der Eisschilde eine Rolle, sondern auch Bewegungen, die im Innern der Erde stattfinden. So kommt es tief im Erdmantel, in dem das Gestein durch den hohen Druck z?hfl¨¹ssig wird, ¨¹ber l?ngere Zeitr?ume zu Verlagerungen. Und auch im ?usseren Erdkern, der aus fl¨¹ssigem Metall besteht, gibt es W?rmestr?mungen, die einerseits das Erdmagnetfeld erzeugen, aber auch zu Massenverschiebungen f¨¹hren.

Benedikt Soja und sein Team haben nun in der bisher umfassendsten Modellierung aufgezeigt, wie sich die Polbewegung aus den einzelnen Prozessen im Kern, im Mantel und durch das Klima an der Oberfl?che ergeben. Ihre Studie ist jetzt in der Zeitschrift ?Nature Geoscience? erschienen: ?Wir pr?sentieren zum ersten Mal eine vollst?ndige Erkl?rung f¨¹r die Ursachen der langperiodischen Polbewegung?, sagt Mostafa Kiani Shahvandi, Doktorand von Soja und Erstautor der Studie: ?Wir wissen jetzt, warum und wie die Rotationsachse der Erde relativ zur Erdkruste wandert.?

Eine Erkenntnis sticht in ihrer ?Nature Geoscience?-Studie besonders heraus: dass die Prozesse auf und in der Erde miteinander verbunden sind und sich gegenseitig beeinflussen. ?Der Klimawandel verursacht eine Bewegung der Erdrotationsachse und es scheint, dass sich durch die R¨¹ckkopplung der Drehimpulserhaltung auch die Dynamik des Erdkerns ver?ndert,? erkl?rt Soja und Kiani Shahvandi erg?nzt: ?Der anhaltende Klimawandel k?nnte sich also sogar auf Prozesse tief im Erdinneren auswirken und weiter reichen als bisher angenommen.? Allerdings bestehe kaum Grund zur Sorge. Denn diese Auswirkungen seien gering und es sei unwahrscheinlich, dass davon eine Gefahr ausgehe.

Physikalische Gesetze mit KI kombiniert

F¨¹r ihre Studie zur Polbewegung verwendeten die Forscher so genannte physikinformierte neuronale Netze. Das sind neuartige Methoden der K¨¹nstlichen Intelligenz (KI), bei denen sich die Forschenden an physikalischen Gesetzen und Prinzipien orientieren, um besonders leistungsstarke und zuverl?ssige Algorithmen f¨¹r maschinelles Lernen zu entwickeln. Unterst¨¹tzung erhielt Kiani Shahvandi daf¨¹r von ETH-Mathematikprofessor Siddhartha Mishra, den die ETH Z¨¹rich 2023 mit dem R?ssler-Preis, ihrem h?chstdotierten Forschungspreis, auszeichnete und der ein Spezialist auf diesem Gebiet ist.

So konnten mit den von Kiani Shahvandi erstellten Algorithmen erstmals alle verschiedenen Effekte an der Oberfl?che, im Erdmantel und im Erdkern erfasst und ihre m?glichen Interaktionen modelliert werden. Das Ergebnis der Berechnungen zeigt, welche Bewegungen die Erdrotationspole seit 1900 zur¨¹ckgelegt haben. Diese Modell-Werte stimmen hervorragend ¨¹berein mit den realen Daten, die in der Vergangenheit astronomische Beobachtungen und in den letzten dreissig Jahren Satelliten geliefert haben, und erm?glichen so auch Prognosen f¨¹r die Zukunft.

Wichtig f¨¹r die Raumfahrt

?Auch wenn sich die Erdrotation nur langsam ?ndert, muss man diesen Effekt bei der Navigation im Weltraum ber¨¹cksichtigen, beispielsweise wenn eine Raumsonde auf einem anderen Planeten landen will?, sagt Soja. Denn auch eine Abweichung von nur einem Zentimeter auf der Erde kann ¨¹ber die riesigen Distanzen zu einer Abweichung von hunderten von Metern anwachsen. ?Die Landung in einem bestimmten Krater auf dem Mars w¨¹rde dann nicht klappen?, sagt der Wissenschaftler.