Warum steht die Erde nie still?

Warum steht die Erde nie still?

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Foto: privat

Jan-Torge Schindler hat Physik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel studiert. Nach seinem Master ist er nach Tucson (USA) gegangen, wo er zurzeit in Astronomie und Astrophysik promoviert. „Auch wenn man in Deutschland wahrscheinlich kaum von der University of Arizona (in Tucson) oder vom Steward Observatory gehört hat, ist es eines der größten und bekanntesten Astronomie-Institute in den USA. In den Bergen um Tucson herum stehen nämlich viele Teleskope, da das Wetter hier (in der Wüste) gute Bedingungen zum Beobachten bietet. Unter anderem ist hier das LBT, eines der größten Teleskope, das je gebaut wurde“, meint der 28-Jährige. In seiner Doktorarbeit beschäftigt er sich mit supermassereichen schwarzen Löchern im frühen Universum.


Warum dreht sich die Erde seit Milliarden Jahren um sich selbst und kommt nicht irgendwann zum Stillstand?

Diese recht einfach anmutende Frage ist komplexer als sie im ersten Moment scheint. Der Grund für die immer fortwährende Erddrehung, die scheinbar konstante Rotationsgeschwindigkeit, ist als Erhaltungssatz des Drehimpulses tief in der Physik verankert. Allerdings beeinflussen vor allem der Mond, aber auch die Sonne und die anderen Planeten die Drehung unseres schönen blauen Planeten.

Drehimpulserhaltung oder „Warum Dinge nicht aufhören, sich zu drehen“

Ich möchte zuerst einen Ausflug in die Kindheit machen, um zu erklären, was sich hinter dem Drehimpuls verbirgt und was er mit der Rotationsgeschwindigkeit zu tun hat. Früher habe ich oft auf einem Spielplatz mit einem kleinen Karussell gespielt. Es war nicht motorisiert, man musste es erst einmal ordentlich anschieben, damit es in Gang kam. Wer das schon einmal gemacht hat, weiß, dass es Kraft kostet. Denn man muss gegen die Trägheit des Karussells anarbeiten, um es in Bewegung zu versetzen. In der Physik wird dieser Widerstand passend Trägheitsmoment (Trägheitstensor) genannt. Hatte man es dann geschafft, rechtzeitig aufzuspringen, konnte man lustig im Kreis fahren, bis die Reibung der Karussellachse das Gefährt nach und nach zum Stillstand brachte.

Wollten wir also weiterfahren, mussten wir das Karussell wieder in Schwung versetzen. Und das, was wir als Schwung verstehen, ist mit dem Drehimpuls vergleichbar. Er ist, vereinfacht gesagt, das Produkt aus Rotationsgeschwindigkeit und Trägheitsmoment. Auf die sich drehende Erde bezogen heißt das: Der Schwung ist das Produkt aus dem Widerstand gegen die Drehbewegung und der Geschwindigkeit der Erddrehung.

Man kann also nicht die Geschwindigkeit der Erddrehung allein betrachten, sondern muss auch immer auf ihr Trägheitsmoment schauen. Dieses hängt davon ab, wie die Masse der Erde um ihre Drehachse verteilt ist.

Drehimpuls = Rotationsgeschwindigkeit x Trägheitsmoment

Je besser das Karussell geschmiert war, je weniger Reibung an der Achse war, desto länger fuhr es. Hätte es gar keine Reibung erfahren, so würde es sich bis in alle Ewigkeit mit dem gleichen Schwung weiterdrehen. Die Erde allerdings hat im Gegensatz zum Karussell keine feste Achse mit der entsprechenden Reibung und dreht sich somit immer weiter. Allerdings machen die anderen Himmelskörper der Erde zu schaffen, wie ich später zeigen werde.

Wenn also keine Kraft das drehende Objekt beeinflusst, wie ein Kind, das das Karussell anschiebt, oder wie die Reibung der Achse, die es bremst, so bleibt sein Drehimpuls erhalten. Der Drehimpuls gilt in der Physik deshalb als Erhaltungsgröße. Allerdings bedeutet das noch nicht, dass sich die Rotationsgeschwindigkeit nicht auch ändern kann.

Denn nur das Produkt aus Rotationsgeschwindigkeit und Trägheitsmoment muss erhalten bleiben. Letzteres kann aber zum Beispiel kleiner werden und muss durch eine höhere Rotationsgeschwindigkeit ausgeglichen werden.

Die Erde tanzt

Bleiben wir für einen Moment bei unserem Vergleich: Wir stehen auf der Kante des sich drehenden Karussells und beginnen jetzt, uns nach außen zu lehnen. Wir verteilen also Masse weiter weg von der Drehachse und vergrößern damit das Trägheitsmoment. Intuitiv wissen wir schon, was nun passiert: Da der Drehimpuls des Karussells sich nicht ändert, muss die Rotationsgeschwindigkeit geringer werden. Das Karussell dreht sich langsamer. Umgekehrt würde sich die Rotationsgeschwindigkeit beschleunigen, wenn wir uns nach innen lehnen. Der gleiche Effekt tritt bei Eiskunstläufern auf, die eine Pirouette machen.

https://www.youtube.com/watch?v=q4zgVBGz4Us

Auch bei gleichbleibendem Drehimpuls kann sich also die Rotationsgeschwindigkeit ändern, wenn sich das Trägheitsmoment ändert. Auch bei der Erde tritt dieser Effekt auf, wie weiter unten zu zeigen sein wird.

Heute messen Experten, dass sich die Erde in 23 Stunden 56 Minuten und 4,1 Sekunden ein Mal um sich selbst dreht. Allerdings ist die Erde kein isoliertes System, denn sie steht über die Gravitationskraft in Wechselwirkung mit dem Mond. An der Nordsee etwa kann man jeden Tag erleben, wie die Schwerkraft des Mondes die Wassermassen des Atlantischen Ozeans anzieht und damit Ebbe und Flut auslöst. (Der Vorgang ist jedoch hoch komplex, wie das folgende Video zeigt.)

Warum rechnen wir den Tag dann aber mit 24 Stunden? Ich finde hier die [Erklärung auf Wikipedia gar nicht so schlecht und vor allen Dingen deren Illustration](https://de.wikipedia.org/wiki/Siderischer_Tag#/media/File:Sidereal_day_(prograde). Folgt doch einmal dem Link zu dem Bild und lest dann meine Erläuterung dazu: In 1) schauen wir (roter Pfeil) Richtung Sonne und sehen sie direkt über uns im Zenit. 23 Stunden 56 Minuten und 4,1 Sekunden später hat die Erde sich im Vergleich zum Sternenhintergrund genau einmal gedreht. Allerdings haben wir uns auch auf unserem Pfad um die Sonne weiter bewegt. (Die Bewegung ist in der Illustration übertrieben, um den Effekt darzustellen.) Aber schauen wir nun zum Zenit hoch, so steht die Sonne nicht direkt dort, sondern leicht daneben. Erst nachdem die Erde sich noch einmal ca. 4 Minuten weiter gedreht hat, steht die Sonne für uns wieder im Zenit. Der sogenannte Sonnentag dauert damit 24 Stunden (Wir Menschen haben ja festgelegt, dass 1 Stunde ein 1/24 eines Sonnentages ist), während eine Umdrehung der Erde (vor dem Sternenhintergrund ca. 4 Minuten kürzer ist.

https://www.youtube.com/watch?v=tc1lPAObWBc

Diese Drehung wird gegen die Position weit entfernter Lichtquellen außerhalb der Milchstraße gemessen, da sich die Sterne um uns herum nicht unwesentlich bewegen.

Der Mond dominiert die Entstehung der Gezeiten. Die Wassermassen drehen sich eigentlich mit der Erde mit. Der Mond, der sich langsamer um die Erde dreht, zieht sie jedoch an und versucht sie zu bremsen. Diese Reibung der Wassermassen am Meeresboden bremst die Erddrehung. In der Folge verlängern sich die Tage um etwa 2,3 Millisekunden pro Jahrhundert. Der Drehimpuls der Erde wird also kleiner. Da der Gesamtdrehimpuls von Mond und Erde aber erhalten bleiben muss, können wir schnell schlussfolgern, dass der Mond sich auf der Bahn um die Erde beschleunigt. Der Drehimpuls der Erde wird damit auf den Mond übertragen.

Damit ändert sich jedoch das Gleichgewicht zwischen Zentrifugalkraft und Gravitation, das den Mond auf der Bahn hält. In der Folge entfernt sich der Mond jedes Jahr um etwa 3,8 Zentimeter.

Und als wäre das nicht schon kompliziert genug, kommt ein weiterer Faktor hinzu. Neueste Forschungen, die historische Aufzeichnungen ausgewertet haben, kommen zu dem Ergebnis, dass sich der Tag nicht um 2,3 Millisekunden, sondern nur um 1,8 Millisekunden verlängert. Die Autoren erklären diese Diskrepanz unter anderem mit dem Pirouetteneffekt der Erde. Denn man mag es kaum glauben, aber: Die Erde tanzt.

Und das geht so: Bei Erdbeben bewegen sich die tektonischen Platten gewaltsam und verteilen die Masse der Erde um. So soll das Erdbeben im März 2011 in Japan mit einer 8,9 auf der Richter-Skala so viel Masse umverteilt haben, dass sich der Tag seitdem um 1,8 Mikrosekunden verkürzt hat. Auch die Landhebung nach der letzten Eiszeit sorgt dafür, dass sich das Trägheitsmoment der Erde ändert und sich die Erde schneller dreht.

Die Erde ist nicht wirklich eine Kugel, sondern sie ist am Äquator dicker. Wenn sich jetzt in den Polregionen die Landmassen heben, wird sie wieder kugelförmiger und folglich verkleinert sich das Trägheitsmoment. Es verringert sich auch, wenn Schnee auf den Bergen schmilzt und das Wasser in tiefergelegene Täler fließt.

Die Landhebung allein erklärt aber nicht die ganze Diskrepanz der Messergebnisse. Die Erddrehung, die wir bisher betrachtet haben, war die Rotation der Erdkruste. Der Erdkern jedoch dreht sich mit einer schnelleren Rotationsgeschwindigkeit. Wechselwirkungen zwischen Erdkern und Erdmantel können die Drehung ebenfalls beeinflussen haben, was aber noch nicht hinreichend erforscht ist.

Die Erde taumelt

Der Kreisel Erde unterliegt der Gravitationskraft der Sonne, der anderen Planeten (dominiert durch Jupiter) und des Mondes. Allerdings liegt der Äquator nicht in der Bahnebene der Erde um die Sonne und damit auch nicht in der gleichen Ebene wie die anderen Himmelskörper. Diese Ebene heißt übrigens Ekliptik.

Die auftretenden Gravitationskräfte sorgen dafür, dass der Äquatorwulst Richtung Ekliptik gekippt wird. Da die Erde sich jedoch um sich selbst dreht, beginnt die Drehachse um ihre Gleichgewichtslage zu rotieren. Dieser Effekt nennt sich Präzession.

Das Bild zeigt den Verlauf der Drehachse am nördlichen Himmelspol in orange. Die Zahlen zeigen die Jahreszahl an. So sehen wir, dass in ca. 12.000 Jahren (14.000 n.Chr.) die Erdachse dem Stern Vega am nächsten ist und vor 5.000 Jahren (3.000 v.Chr.) der Stern Thuban der Polarstern war.

Foto: Tauʻolunga

Das geschieht recht langsam. Wenn wir uns die Erdachse in den nördlichen Himmel verlängert vorstellen, so zeigt sie heute fast genau auf den Stern Polaris, den Nordstern. Da die Drehachse der Erde aber nun rotiert, so wird Polaris nicht für immer der Nordstern bleiben. In der Tat beschreibt die Erdachse über 26.000 Jahre einen vollen Kreis am Nordhimmel.

https://www.youtube.com/watch?v=WQz4jXkVQGQ

Zusammengefasst

Auch wenn der Mond, die Sonne und die anderen Planeten die Erdrotation beeinflussen, wird sich der blaue Planet auf ewig weiter drehen. Dabei taumelt die Erdachse wie bei einem Kreisel und fährt mit der Norddrehachse alle 26.000 Jahre einen geschlossenen Kreis am Nachthimmel ab. Auf lange Sicht wird wohl die Gravitationskraft mit ihren Auswirkungen die Rotation langsam abbremsen. Allerdings wird der Tag dabei nur marginal länger, und weil der Mond sich dabei entfernt, wird dieser Effekt in weiter Zukunft noch schwächer. Tektonische Bewegungen, das Schmelzen von Gletschern und ähnliche Effekte, die die Masse auf der Erde umverteilen, können die Rotationsgeschwindigkeit kurzfristig verändern. Es scheint zur Zeit jedoch so, dass der bremsende Effekt des Mondes durch die nach-eiszeitliche Landhebung und Wechselwirkungen zwischen Erdkern und Erdmantel zum Teil aufgehoben wird.


Aufmacherbild: iStock; Protokoll: Susan Mücke; Redaktion: Vera Fröhlich.