Warum sich die Tage ein wenig ändern: die Rolle des inneren Kerns und des Erdmantels

• Die Tage ändern sich um einige Millisekunden
• Der flüssige Kern beschleunigt sich, der Mantel verlangsamt sich und umgekehrt
• Das gravitative Drehmoment des inneren Kerns beeinflusst den Mantel
• Das Gleichgewicht von Gravitation und Reibung begrenzt die Veränderungen der Tageslänge

Für die meisten Menschen wird der Tag als unveränderlicher 24-Stunden-Zeitraum wahrgenommen, jedoch zeigen Messungen, dass die Dauer der Erdentage um Bruchteile von Millisekunden variiert. Solche Abweichungen werden mit hochpräzisen astronomischen und geophysikalischen Methoden erfasst, die es ermöglichen, die Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit des Planeten zu verfolgen.

In den letzten dreißig Jahren haben Wissenschaftler festgestellt, dass der flüssige äußere Kern der Erde mit variabler Geschwindigkeit rotiert. Das Magnetfeld des Planeten, das durch die Bewegung dieser Schicht erzeugt wird, zeigt, dass der Kern über mehrere Jahrzehnte beschleunigen und dann verlangsamen kann. Gleichzeitig werden entgegengesetzte Veränderungen im Mantel beobachtet – einer massiven Gesteinsschicht mit einer Dicke von etwa 3000 km, die die Erdkruste umfasst.

Austausch des Drehimpulses

Dieser gegenseitige Austausch der Geschwindigkeit wird durch das Gesetz der Erhaltung des gesamten Drehimpulses der Erde erklärt. Wenn der äußere Kern beschleunigt, verlangsamt sich der Mantel leicht und umgekehrt. Selbst geringfügige Änderungen in der Geschwindigkeit des Mantels können die Dauer eines Tages um einige Tausendstel Sekunden verändern.

Der genaue Mechanismus der Übertragung des Drehimpulses zwischen den Schichten blieb lange Zeit unbekannt. In einer Studie, die am 23. September in der Zeitschrift veröffentlicht wurde, Natur, haben Physiker der Universität Alberta – Doktorand Huai-fen Zhang und Professor Mathieu Dumberry – eine Erklärung vorgeschlagen, die auf dem gravitativen Drehmoment basiert.

Gravitation und magnetisches Drehmoment

Wissenschaftler haben gezeigt, dass kleine Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit des festen inneren Kerns, der sich im Zentrum des Planeten befindet, ein gravitationelles Drehmoment erzeugen. Da der innere Kern nicht perfekt sphärisch ist, interagiert seine Bewegung mit den Masseneinhomogenitäten im Mantel, was eine leichte Beschleunigung oder Verlangsamung des letzteren verursacht.

Gleichzeitig wirkt an der Grenze zwischen dem Kern und dem Mantel das sogenannte Drehmoment an der Kern-Mantel-Grenze. Es wird durch Reibung und elektromagnetischen Widerstand verursacht, die der Gravitationsanziehung entgegenwirken und die Größe der Veränderung der Tageslänge begrenzen.

Laut den Ergebnissen der Forscher entstehen die beobachteten Schwankungen der Tageslänge aus dem Gleichgewicht zwischen diesen beiden Kräften: dem gravitativen Drehmoment und dem Widerstand an der Kern-Mantel-Grenze. Wenn eine der Kräfte stärker wird, kompensiert die andere ihren Einfluss und erhält den gesamten Drehimpuls des Planeten.

Neben der Erklärung eines seit langem bekannten Phänomens geben die Ergebnisse der Arbeit Einblicke in die Dynamik der tiefsten Schichten der Erde. Die Autoren weisen darauf hin, dass der innere Kern sich auf jahrzehntelangen Zeiträumen „viskoelastisch“ verformt, was auf ein flexibleres und beweglicheres Verhalten des planetarischen Kerns hinweist, als zuvor angenommen.

Diese Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Geodynamik des Planeten, helfen, die Modelle der Erdrotation zu präzisieren, und können praktische Auswirkungen auf hochpräzise Navigationssysteme haben, die von genauer Zeit abhängen.

Quelle: ScienceDaily