Die Dynamik der Erdrotation

Die Rotation der Erde ist kein konstanter Prozess. Ein mittlerer Erdentag umfasst 86.400 Sekunden, doch die tatsächliche Tageslänge unterliegt kontinuierlichen Schwankungen. Diese Variationen werden durch mehrere Faktoren beeinflusst: die Gezeitenkräfte des Mondes, dynamische Prozesse im Erdinneren sowie den Austausch von Drehimpuls zwischen der festen Erde, den Ozeanen und der Atmosphäre. Besonders der atmosphärische Drehimpuls spielt eine zentrale Rolle, da sich die Luftmassen relativ zur Erdoberfläche bewegen und ihre Verteilung globalen Veränderungen unterliegt.

Klimamodelle zeigen langfristige Trends

Ein Forscherteam des Institute for Basic Science (IBS) hat in einer umfassenden Studie untersucht, wie sich der Klimawandel auf den atmosphärischen Drehimpuls und damit auf die Erdrotation auswirkt. Die Wissenschaftler analysierten drei gekoppelte Klimamodelle, die insgesamt 190 Simulationen von 1850 bis 2100 umfassen. Für die Zukunft nutzten sie das emissionsreiche Szenario SSP3-7.0, um den durch äußere Antriebe verursachten Trend besser von der natürlichen Klimavariabilität zu trennen.

Die Ergebnisse zeigen, dass der atmosphärische Drehimpuls mit zunehmender Erwärmung ansteigt. Verantwortlich dafür sind vor allem Veränderungen in der atmosphärischen Zirkulation. Die Hadley-Zirkulation dehnt sich polwärts aus, subtropische Jetstreams verstärken sich und verschieben sich, während tropische Passatwinde an Intensität verlieren. Gleichzeitig nehmen ostwärts gerichtete Winde in der oberen Tropenatmosphäre am Äquator zu. Diese Veränderungen führen dazu, dass die Atmosphäre mehr Drehimpuls speichert und weniger davon an die feste Erde überträgt.

Systematische Verlangsamung der Erdrotation

Aufgrund der Erhaltung des Gesamtdrehimpulses des Systems Erde-Atmosphäre resultiert die erhöhte Drehimpulsspeicherung in der Atmosphäre in einer minimalen Verlangsamung der Erdrotation. Die Modelle zeigen, dass sich der Tag pro Grad globaler Erwärmung um etwa 0,09 bis 0,112 Millisekunden verlängert. Obwohl dieser Effekt winzig erscheint, handelt es sich um einen systematischen, durch den Klimawandel ausgelösten Beitrag, der sich von kurzfristigen, wetterbedingten Schwankungen unterscheidet.

Zum Vergleich: Die langfristige Bremswirkung der Mondgezeiten beträgt etwa 2,4 Millisekunden pro Jahrhundert. Im Zeitraum von 2050 bis 2099 könnte der klimabedingte Zusatzbeitrag je nach Modell 10 bis 18 Prozent dieses Referenzwerts erreichen. Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass dieser Vergleich lediglich der Einordnung der Größenordnung dient und nicht impliziert, dass die Mondgezeiten alle Rotationsänderungen auf Jahrhundertskalen dominieren.

Modellabhängigkeit und Unsicherheiten

Die Studie zeigt, dass der Zeitpunkt, zu dem der klimabedingte Effekt klar vom Rauschen der natürlichen Variabilität zu unterscheiden ist, stark vom verwendeten Modell abhängt. Im ACCESS-ESM-1.5-Modell überschreitet das Signal den gewählten Schwellenwert bereits im Jahr 2057, während es im CESM2-Ensemble erst 2080 und im MIROC6-Modell bis 2100 nicht erreicht wird. Diese Unterschiede verdeutlichen die Herausforderungen bei der Vorhersage langfristiger Trends.

Zudem basiert die Studie auf einem einzigen, emissionsreichen Szenario. Die berechneten Werte stellen daher keine direkte Messung einer aktuellen Tagesverlängerung dar, sondern zeigen mögliche Entwicklungen unter bestimmten Annahmen. Die Autoren betonen, dass Prozesse im Erdinneren, insbesondere der Austausch zwischen Erdkern und Mantel, die Rotationsschwankungen in den kommenden Jahrzehnten weiterhin dominieren werden. Dennoch kommt der Atmosphäre eine zusätzliche, klimabedingte Rolle zu, die in Zukunft an Bedeutung gewinnen könnte.