Fragen rund um die Erdrotation
- Was ist die Schaltsekunde?
- Verändert sich die Tageslänge?
- Hört die Erde irgendwann auf sich zu drehen?
- Dreht sich die Erde schneller, wenn das Laub fällt?
- Wenn alle Kraftfahrzeuge der Welt im gleichen Moment parallel zum Äquator in eine Richtung starten - wie wird die Drehbewegung unserer Erde beeinflusst?
Was ist die Schaltsekunde?
Unser Kalender und unsere (zivile) Zeitrechnung basieren auf der Bewegung der Erde. Ein Umlauf um die Sonne ist ein Jahr, eine Rotationsperiode ein Tag. Ein Tag entspricht 86400 Sekunden. Teilt man die mittlere Tageslänge durch 86400 erhält man die Weltzeitsekunde. Die SI-Sekunde (aus dem internationalen Einheitensystem) wird jedoch über die Resonanzfrequenz des Cäsiumatoms definiert und mit Atomuhren bestimmt. Die Differenz zwischen Weltzeit und Atomzeit beträgt im Jahr ca. 0,75 Sekunden. Eine Ursache für die Differenz sind die Gezeiten, die durch den Mond verursacht werden. Das heißt, die "Uhr der Erde" bleibt hinter den Atomuhren zurück. Genauere Erläuterungen befinden auf den Seiten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt: http://www.ptb.de/cms/index.php?id=1818.
Wenn sich die Differenzen zwischen Atomzeit und Weltzeit zu einer Sekunde aufsummieren, wird eine Schaltsekunde eingefügt. Dies geschieht derart, dass die letzte Minute des betreffenden Tages eine Sekunde länger dauert. Wann jedoch die nächste Schaltsekunde benötigt wird, ist nicht bekannt, da verschiedene andere Effekte die Erdrotation beeinflussen. Eigentlich hatte man damit gerechnet nach zuletzt 1999, 2006 und 2008 auch 2010 wieder eine Schaltsekunde hinzufügen zu müssen.Dies war jedoch nicht der Fall. Eine Erläuterung dazu befindet sich hier: http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,736851,00.html.
Verändert sich die Tageslänge?
Ja. Die Tageslänge LOD (engl., Length of Day) variiert ständig. Langfristig nimmt wegen der Gezeitenreibung im Erde-Mond-System die Rotationsgeschwindigkeit der Erde stetig ab, die Länge des Tages also stetig zu. Im langfristigen Mittel sind das bei der Tageslänge 2 Millisekunden pro Jahrhundert. Für die Zeit von 1623 bis 2000 findet sich unter http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/earthor/ut1lod/lod-1623.html eine Darstellung der Variation der Tageslänge. Hier zeigt sich deutlich, dass die Tageslänge über lange Zeiträume in zunimmt. Für die Zeit von 1962 bis heute finden Sie eine Graphik unter http://datacenter.iers.org/eop/-/somos/5Rgv/plotname/213/EOPC04_08_62-NOW_IAU1980-LOD.jpg. Darin sieht man deutlich, dass es immer wieder größere Schwankungen der mittleren Tageslänge gab. Die saisonalen Schwankungen werden vor allem durch Veränderungen in der Atmosphäre hervorgerufen (Verlagerung von Hochdruckgebieten, Veränderungen der Jetstreams). Sonstige Veränderungen sind auch durch El-Nino-Ereignisse möglich. Aber auch durch die Einwirkungen des Erdkerns, der durch Kern-Mantel-Kopplung mit dem Erdmantel verbunden ist, werden Änderungen in der Tageslänge hervorgerufen.
Hört die Erde irgendwann auf sich zu drehen?
Oder anders formuliert: Wann wird die Erde – wie jetzt schon der Mond – eine gebundene Rotation ausführen, d.h. wann werden Monatslänge und Tageslänge übereinstimmen, so dass die Erde dem Mond immer dieselbe Seite zukehrt?
Laut http://en.wikipedia.org/wiki/Orbit_of_the_Moon würde das in etwa 50 Milliarden Jahren soweit sein, allerdings wäre dann die Monatslänge 47 heutige Tage lang, weil sich der Mond von der Erde entfernt hat. Ursache dieser Entwicklung ist die Gezeitenreibung im Erde-Mond-System, die auch dazu geführt hat, dass der Mond jetzt schon eine gebundene Rotation ausführt, das heißt für eine Umdrehung so lange braucht wie für einen Umlauf um die Erde und uns somit immer dieselbe Seite zukehrt.
Die Verlangsamung der Erdrotation beträgt derzeit 2 Millisekunden pro 100 Jahre. Da die Sekunde so definiert wurde, dass die mittlere Tageslänge vor 100 Jahren genau 24 Stunden = 86400 Sekunden betrug, ist die mittlere Tageslänge heute 24 Stunden und 2 Millisekunden. Dies gilt allerdings nur im sehr langfristigen Mittel, weil es auch regelmäßige und unregelmäßige Schwankungen der Tageslänge aus anderen Gründen um mehrere Millisekunden gibt.
Der obige Wert von 50 Milliarden Jahren ist aber nur fiktiv, weil sich schon weit eher die Verhältnisse im Sonnensystem grundlegend ändern werden. In etwa 5 Milliarden Jahren wird die Sonne zu einem roten Riesen und bläht sich um ein Vielfaches bis auf die Größe der heutigen Erdbahn auf. Die Erde wird dabei aber nicht verschluckt, sondern begibt sich auf eine „höhere“ Umlaufbahn, weil die Sonne gleichzeitig an Masse verliert. Schon vorher aber, in etwa 2 Milliarden Jahren, verdampfen die Ozeane der Erde wegen erhöhter Sonnenstrahlung. Auf alle Fälle wird es schon viel eher, bevor die Erde aufhört sich zu drehen, keine Menschen mehr auf der Erde geben.
Dreht sich die Erde schneller, wenn das Laub fällt?
Die Erde dreht sich tatsächlich je nach Jahreszeit schneller oder langsamer, was mit Massenverlagerungen (Atmosphäre, Wasser, Erdinneres) zu tun hat. Aber dreht sie sich im Winter tatsächlich schneller, wenn das Laub von den Bäumen gefallen ist? Nein - es ist gerade anders herum - die Erde dreht sich im Sommer schneller, nicht im Winter. Doch warum ist das so? Zu diesen saisonalen Effekten tragen u.a. periodische Verlagerungen von Luftmassen bei.
Zwar vergrößern die Blätter an den Bäumen im Nordsommer das Trägheitsmoment der Erde (Pirouetteneffekt) und zudem gibt es auf der Nordhalbkugel mehr Bäume als auf der Südhalbkugel. Jedoch wird dieser sicherlich vorhandene Einfluss völlig durch größere entgegengesetzte Effekte überlagert. So ist die Tageslänge im Nordsommer am kürzesten, was gleichbedeutend ist mit der Aussage, dass sich die Erde dann schneller dreht.
In der Graphik http://www.iers.org/IERS/EN/Science/EarthRotation/LODgps.html wird das sehr deutlich. Hier ist die Änderung der Tageslänge für den Zeitraum 1995 bis 1998 angegeben, wobei man Sommer und Winter sehr gut unterscheiden kann.
Das Fallen des Laubes hat zwar theoretisch einen Einfluss auf die Erdrotation. Nach Berechnungen von Prof. Peter Brosche (Universität Bonn, Spezialist für die Theorie der Erdrotation) liegt die Änderung der Tageslänge durch fallendes Laub aber höchstens bei etwa 10 Nanosekunden. Das ist um etliche Größenordnungen unter dem, was gemessen werden kann (ca. zehntel Millisekunden). Die Laubmassen sind viel kleiner als die Massen, die sich ständig in der Atmosphäre, in den Ozeanen usw. bewegen und die einen wirklich messbaren Einfluss haben.
Wenn alle Kraftfahrzeuge der Welt im gleichen Moment parallel zum Äquator in eine Richtung starten - wie wird die Drehbewegung unserer Erde beeinflusst?
Es würde sich aufgrund des physikalischen Gesetzes der Erhaltung des Drehimpulses die Rotationsgeschwindigkeit der Erde ändern. Starten die Autos Richtung Osten, wird die Drehung langsamer, starten sie nach Westen, wird sie schneller. Dies gilt - ausgenommen für die Pole - auch für alle anderen Orte der Erde. Am Äquator ist der Effekt jedoch am größten. Wie groß der Effekt tatsächlich wäre, lässt sich auch grob berechnen
Angenommen es gibt ca. 700 Millionen Kraftfahrzeuge. Jedes Auto wiegt zwischen 700 kg und einer Tonne. Dann ergibt sich eine Gesamtmasse von 6*1011 kg. Die Erde hat eine Masse von knapp 6*1024 kg. das Verhältlis ist also 1:1013. Ein Tag hat knapp 108 Millisekunden. Wenn man die Autos mit der Geschwindigkeit von Michael Schumacher auf der Geraden fahren lässt, liegt der maximale Effekt also bei rund 10-5 Millisekunden. Das ist leider nicht messbar. Aber der Effekt ist da.
Da kann man sich vorstellen, welche gewaltigen Massen in der Atmosphäre unterwegs sind - denn deren Effekt auf die Erdrotation kann man messen.