Wie der Klimawandel die Erdrotation verändert

Forschende der ETH Zürich konnten erstmals in der bislang umfassendsten Modellierung mit Methoden der Künstlichen Intelligenz die verschiedenen Ursachen der langfristigen Polbewegung vollständig erklären. Ihr Modell und ihre Beobachtungen zeigen, dass Klimawandel und globale Erwärmung einen stärkeren Einfluss auf die Rotationsgeschwindigkeit der Erde haben werden als der Effekt des Mondes, der seit Milliarden von Jahren die Zunahme der Tageslänge bestimmt.

Der Klimawandel lässt die Eismassen Grönlands und der Antarktis schmelzen. Wasser aus den Polarregionen fließt in die Weltmeere – und vor allem in die Äquatorregion.

«Das heisst, es findet eine Massenverschiebung statt, welche Auswirkungen auf die Erdrotation hat», erklärt Benedikt Soja, Professor für Weltraumgeodäsie am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich.

„Das ist wie bei einer Eiskunstläuferin, die eine Pirouette dreht: Sie hält die Arme zunächst eng am Körper und streckt sie dann aus“, sagt Soja. Die zunächst schnelle Rotation werde langsamer, weil sich die Massen von der Rotationsachse wegbewegen und die physikalische Trägheit zunehme.

In der Physik spricht man vom Drehimpulserhaltungssatz, und dieser gilt auch für die Erdrotation. Dreht sich die Erde langsamer, werden die Tage länger. Der Klimawandel verändert also auch die Tageslänge auf der Erde, wenn auch nur minimal.

Die ETH-Forscher aus Sojas Gruppe haben zwei neue Studien in den Fachzeitschriften Naturgeowissenschaften Und Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS) darüber, wie sich der Klimawandel auf die Polbewegung und die Tageslänge auswirkt.

Klimawandel übertrifft den Einfluss des Mondes

Im PNAS Die ETH-Forscher zeigen in ihrer Studie, dass der Klimawandel auch die Tageslänge von heute 86.400 Sekunden um wenige Millisekunden verlängert. Dies liegt daran, dass Wasser von den Polen in tiefere Breiten abfliesst und so die Rotationsgeschwindigkeit verlangsamt.

Eine weitere Ursache für diese Verlangsamung ist die Gezeitenreibung, die durch den Mond ausgelöst wird. Die neue Studie kommt allerdings zu einem überraschenden Ergebnis: Wenn der Mensch weiterhin mehr Treibhausgase ausstößt und sich die Erde entsprechend erwärmt, hätte dies letztlich einen größeren Einfluss auf die Erdrotationsgeschwindigkeit als der Effekt des Mondes, der seit Milliarden von Jahren die Zunahme der Tageslänge bestimmt.

„Wir Menschen haben einen größeren Einfluss auf unseren Planeten, als uns bewusst ist“, so Soja abschließend, „und das bringt natürlich eine große Verantwortung für die Zukunft unseres Planeten mit sich.“

Die Rotationsachse der Erde verschiebt sich

Die durch das schmelzende Eis verursachten Massenverschiebungen auf der Erdoberfläche und im Erdinneren verändern jedoch nicht nur die Rotationsgeschwindigkeit der Erde und die Tageslänge: Wie die Forscher in Naturgeowissenschaftenverändern sie auch die Rotationsachse. Das heißt, die Schnittpunkte der Rotationsachse mit der Erdoberfläche verschieben sich.

Forscher können diese Polbewegung beobachten, die über einen längeren Zeitraum hinweg bei einigen zehn Metern pro hundert Jahre liegt. Dabei spielt nicht nur das Abschmelzen der Eisschilde eine Rolle, sondern auch Bewegungen im Erdinneren.

Tief im Erdmantel, wo das Gestein durch hohen Druck zähflüssig wird, kommt es über lange Zeiträume zu Verschiebungen. Und auch im flüssigen Metall des äußeren Erdkerns gibt es Wärmeströme, die sowohl für die Entstehung des Erdmagnetfelds verantwortlich sind als auch zu Massenverschiebungen führen.

Soja und sein Team haben nun in der bislang umfassendsten Modellierung gezeigt, wie die Polarbewegung aus einzelnen Prozessen im Kern, im Mantel und aus dem Klima an der Oberfläche resultiert.

„Wir präsentieren erstmals eine vollständige Erklärung für die Ursachen der langperiodischen Polbewegung“, sagt Mostafa Kiani Shahvandi, einer von Sojas Doktoranden und Erstautor der Studie. „Mit anderen Worten: Wir wissen jetzt, warum und wie sich die Rotationsachse der Erde relativ zur Erdkruste bewegt.“

Besonders auffallend bei ihrer Studie ist ein Ergebnis, dass die Prozesse auf und in der Erde miteinander verbunden sind und sich gegenseitig beeinflussen. „Der Klimawandel bringt die Rotationsachse der Erde in Bewegung und es scheint, dass die Rückkopplung aus der Drehimpulserhaltung auch die Dynamik des Erdkerns verändert“, erklärt Soja.

Kiani Shahvandi ergänzt: „Der Klimawandel könnte also sogar Prozesse tief im Erdinneren beeinflussen und eine größere Reichweite haben als bisher angenommen.“ Grund zur Sorge gebe es allerdings nicht, denn diese Effekte seien gering und es sei unwahrscheinlich, dass sie ein Risiko darstellten.

Physikalische Gesetze kombiniert mit KI

Für ihre Studie zur Polarbewegung verwendeten die Forschenden sogenannte physikinformierte neuronale Netzwerke. Dabei handelt es sich um neuartige Methoden der künstlichen Intelligenz (KI), bei denen die Forschenden die Gesetze und Prinzipien der Physik anwenden, um besonders leistungsfähige und zuverlässige Algorithmen für maschinelles Lernen zu entwickeln. Unterstützung erhielt Kiani Shahvandi von Siddhartha Mishra, Professor für Mathematik an der ETH Zürich.

Die von Kiani Shahvandi entwickelten Algorithmen ermöglichen es erstmals, alle unterschiedlichen Effekte auf der Erdoberfläche, im Erdmantel und im Erdkern zu erfassen und ihre möglichen Wechselwirkungen zu modellieren. Das Ergebnis der Berechnungen zeigt, wie sich die Rotationspole der Erde seit 1900 bewegt haben. Diese Modellwerte stehen in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den realen Daten, die astronomische Beobachtungen in der Vergangenheit und Satellitenbeobachtungen der letzten dreißig Jahre liefern, und ermöglichen damit auch Prognosen für die Zukunft.

Wichtig für die Raumfahrt

„Auch wenn sich die Erdrotation nur langsam ändert, muss dieser Effekt bei der Navigation im All berücksichtigt werden – etwa, wenn man eine Raumsonde auf einem anderen Planeten landen lassen will“, sagt Soja. Selbst eine geringe Abweichung von nur einem Zentimeter auf der Erde könne sich über die riesigen Distanzen zu einer Abweichung von Hunderten von Metern auswachsen.

„Andernfalls wäre eine gezielte Landung in einem Krater auf dem Mars nicht möglich“, sagt er.