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Rotation and Nutation of a wobbly Earth

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Die Eigenschwingung der Erde genauer messen und verstehen

Seit Jahrtausenden und auch heute noch orientieren wir uns an den Sternen – und erzielen dabei eine immer größere Genauigkeit. GPS, Atomuhren und viele andere Instrumente, die wir für selbstverständlich halten, hängen von unserer Fähigkeit ab, die Bewegungen der Erde zu messen. Doch die aktuellen Modelle könnten noch verbessert werden.

Grundlagenforschung

Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) wie GPS empfangen Daten, die von Satelliten in der Umlaufbahn gesendet werden und ermöglichen so eine präzise Positionierung. Die relativ zur Erde ausgerichteten Empfänger drehen sich synchron mit dem Planeten und verfolgen Signale von Satelliten, die sich im Weltraum bewegen. Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erzielen, müssen wir jedoch wissen, wie die Erde sich unter den Satelliten dreht und verschiebt. Dem Projekt RotaNut des Europäischen Forschungsrates ist es nun gelungen, die Nutation der Erde auf wenige Millimeter genau zu modellieren und so Informationen bereitzustellen, welche die Genauigkeit von auf Atomuhren und GPS basierenden Instrumenten erhöhen können. Derartige Instrumente stützen sich auf zwei Bezugssysteme: den terrestrischen Referenzrahmen, der relativ zur Erde festgelegt ist und sich synchron mit dem Planeten dreht, und den zälestischen Referenzrahmen, der starr ist und sich im Weltraum befindet, wo sich die künstlichen Satelliten wie die des GPS bewegen. Die leitende Forscherin Véronique Dehant erklärt dazu: „Die Beziehung zwischen diesen Bezugssystemen wird dadurch erschwert, dass die Rotation und Orientierung der Erde Unregelmäßigkeiten ausgesetzt sind, welche durch globale Massenverlagerungen im Laufe der Zeit und äußere Krafteinwirkungen wie die Anziehungskraft von Sonne und Mond verursacht werden.“ Ziel des Projekts RotaNut ist daher, die Modellierung der Erdrotation zu verbessern und die Rolle und Beschaffenheit des Erdinneren besser zu verstehen. „Bei der aktuellen Modellierung wird die Komplexität der Erde nicht vollständig berücksichtigt. So ist insbesondere der Beitrag der Atmosphäre und Ozeane zur Orientierung der Erde noch nicht perfekt modelliert. Fakt ist außerdem, dass die Kopplungsmechanismen an den Grenzen zwischen dem inneren Kern, dem flüssigen äußeren Kern und dem Mantel noch nicht ausreichend erforscht sind, um richtig modelliert zu werden“, fügt Dehant hinzu.

Kleine Verlagerungen mit großer Wirkung

Die Rotationsachse der Erde bewegt sich im Weltraum aufgrund der Präzession mit einer Geschwindigkeit von 1,5 km pro Jahr und weist periodische Schwankungen von 600 Metern auf, wie vom Weltraum aus in einer Ebene tangential zum Pol beobachtet wurde. Die gegenwärtigen Beobachtungen zu Quasaren von erdfixierten Antennen mittels Langbasisinterferometrie erlauben es den Forschenden, diese im Zentimeterbereich zu messen. Der Begriff „Präzession“ beschreibt dabei den langfristigen Trend der Orientierung der Rotationsachse, während „Nutation“ die Bezeichnung für kurzfristige periodische Schwankungen ist. Letztere stand im Mittelpunkt des Projekts RotaNut. Durch die Messung der Nutation im Subzentimeterbereich können die Forschenden erkennen, welche Elemente der Physik des Erdinneren bei der Modellierung der Orientierung des Planeten berücksichtigt werden müssen. Dazu gehören unter anderem die Kopplungsmechanismen an der Grenze zwischen dem flüssigen Kern und dem viskoelastischen Mantel.

Einblicke ins Innere des Erdkerns

Dehant, die ihre Forschung an der Königlichen Sternwarte von Belgien durchführte, ist der Meinung, dass es eine aufregende Zeit ist, auf diesem Gebiet zu arbeiten: „Die technologischen Fortschritte ermöglichen es der Geodäsie und Geophysik, die Ursachen und das Ausmaß der Veränderungen der Erdorientierung zu ermitteln.“ Das Projekt zeigte, dass die Dynamik im flüssigen Kern berücksichtigt werden muss, wenn die Orientierung der Erde genau beschrieben werden soll. „Bei der Untersuchung von Nutationen im Kern müssen die Trägheitswellen in rotierenden Flüssigkeiten in Verbindung mit globalen Rotationsbewegungen zwingend betrachtet werden“, so Dehant. Mit einem vollständig gekoppelten Kern-Mantel-Modell konnte das Team von RotaNut die Kopplung an der Kern-Mantel-Grenze analysieren, die es aus der beobachteten Nutation abgeleitet hatte. „Unsere Ergebnisse sind wichtig. Dank ihnen können wir besser beschreiben, was genau im Kern vor sich geht, wenn wir Nutationen modellieren. Ich bin sehr zufrieden mit dem, was das Projekt erreicht hat, denn Bewegungen und Dissipation im Kern könnten die Beobachtung erklären.“ Die Ergebnisse des Projekts sind auf der RotaNut-Website verfügbar.

Schlüsselbegriffe

RotaNut, GPS, Rotationsachse, Präzession, Orientierung, Nutation, GNSS

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