Die Erdrotation ist die Drehbewegung der Erde um ihre eigene Achse. Die Rotationsachse nennt man Erdachse.
In der astronomischen Praxis bezieht man die Umdrehung daher in der Regel auf den Frühlingspunkt, dessen Lage bezüglich der Sterne und Planeten stets berechnet werden kann. Die Zeitspanne, die die Erde braucht, um nach einer Umdrehung wieder dieselbe Stellung bezüglich des Frühlingspunktes einzunehmen, ist ein Sterntag. Weil sich der Frühlingspunkt infolge der Präzession langsam entgegen der Erddrehung bewegt, dauert ein Sterntag nur 23 h 56 min 4,09 s.
Teilt man den Sterntag in 24 Stunden Sternzeit * ein, so ist die Sternzeit ein direktes Maß für den Drehwinkel der Erde. Aus Kenntnis der Sternzeit lässt sich also der aktuelle Himmelsanblick bestimmen. Insbesondere kulminiert für den betreffenden Beobachter um 24 h* der Frühlingspunkt.
Man beachte die nicht ganz konsistente Bezeichnung: der Sterntag bezieht sich trotz seines Namens nicht auf die Sterne, sondern auf den Frühlingspunkt.
Da die elliptische Erdbahn aber im Laufe des Jahres mit variabler Geschwindigkeit durchlaufen wird und weil die Ekliptik zum Himmelsäquator geneigt ist, sind nicht alle Sonnentage eines Jahres gleich lang. Man unterscheidet daher den wahren Sonnentag als Zeitraum zwischen zwei Sonnenhöchstständen und den stets gleich langen mittleren Sonnentag, dessen Länge den über ein Jahr gemittelten Längen der wahren Sonnentage entspricht. Der mittlere Sonnentag wurde per Definition in 24 Stunden eingeteilt. Daher laufen unsere Uhren nach einer mittleren Sonne, anders als die Sonnenuhren, die naturgemäß die tatsächliche Sonne zur Basis nehmen. Der Zeitunterschied zwischen mittlerer Sonnenzeit und wahrer Sonnenzeit wird als Zeitgleichung bezeichnet.
Die Rotationsachse ist um knapp 23.5° gegen die Erdbahnebene geneigt (Schiefe der Ekliptik). Da die Erdachse ihre Richtung im Raum beibehält, während die Erde im Laufe eines Jahres einmal um die Sonne läuft, ist auf einer Hälfte der Bahn die Nordhalbkugel und auf der anderen Hälfte die Südhalbkugel der Sonne zugeneigt. Auf der betreffenden Halbkugel herrscht wegen der stärkeren Sonneneinstrahlung Sommer, die anderen Jahreszeiten ergeben sich entsprechend.
Da ein Drehimpuls eine Erhaltungsgröße ist, kann er nur durch die Einwirkung eines von außen angreifenden Drehmomentes geändert werden. Als Vektor besitzt der Drehimpuls sowohl einen Betrag als auch eine Richtung; Konstanz des Drehimpulses bedeutet daher, dass sowohl die Umdrehungsgeschwindigkeit als auch die Lage der Drehachse im Raum konstant bleiben.
Die auf die Erde einwirkenden Drehmomente sind sehr klein, so dass ihr Drehimpuls und damit auch ihre Drehgeschwindigkeit sowie die Ausrichtung ihrer Drehachse im Wesentlichen konstant bleiben. Bei genauer Messung oder Betrachtung langer Zeiträume lassen sich jedoch zeitliche Veränderungen feststellen.
Die Drehgeschwindigkeit ändert sich,
Die Lage der Rotationsachse im Raum ändert sich, wenn äußere Drehmomente einwirken (Präzession). Da die Symmetrieachse der Erde darüber hinaus nicht exakt mit ihrer Rotationsachse übereinstimmt, führt der Erdkörper kleine Schwingungen um die Rotationsachse aus, so dass deren Durchstoßpunkt durch die Erdoberfläche in einem Bereich von einigen Metern schwankt (Polbewegung).
Diesen Schwankungen überlagert sind Fluktuationen mit einer Dauer von etwa einem Jahrzehnt. Sie werden vermutlich durch einen Drehimpulsaustausch zwischen Erdkern und Erdmantel verursacht. Auch längerfristige Verschiebungen der Wasser- bzw. Eisverteilung auf der Erdoberfläche dürften eine Rolle spielen.
Besonders deutlich fällt eine jährliche Schwankung mit einer Amplitude von etwa 2 ms auf. Sie lässt sich auf Änderungen in der Position und Stärke der größeren Strahlströme zurückführen. Fluktuationen auf einer Zeitskala von Tagesdekaden werden durch den Drehimpulsaustausch zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre verursacht (z.B. Winde, die gegen größere Gebirgsketten wie die Anden oder die Rocky Mountains blasen). Letzterer Zusammenhang ist inzwischen so gut bekannt, dass meteorologische Atmosphärenmodelle benutzt werden können, um diese Schwankungen vorherzusagen (Stichwort: Atmospheric Angular Momentum, AAM).
Gezeitenbedingte Verformungen von Erde und Ozeanen verursachen vierzehntägige, monatliche, halbjährliche und jährliche Anteile der Fluktuationen. Sie sind völlig vorhersagbar und werden daher oft aus den Beobachtungsdaten herausgerechnet, um die übrigen Effekte klarer hervortreten zu lassen. Sie müssen vor der Anwendung anhand der betreffenden Rechenmodelle wieder hinzugefügt werden.
Gelegentlich werden Einzelereignisse wie z.B. Massenverlagerungen aufgrund starker Erdbeben in den Daten sichtbar. In der Grafik sind die Auswirkungen eines besonders ausgeprägten El Niño im Winter 1982/83 deutlich zu erkennen.
Auch Verlagerungen der Biomasse spielen eine gewisse Rolle. Die Behauptung, dass die Erde sich im (Nord-)Sommer langsamer drehe als im Winter, weil die Blätter an den Bäumen das Trägheitsmoment vergrößern (Pirouetteneffekt) und es auf der Nordhalbkugel mehr Bäume gibt als auf der Südhalbkugel, ist jedoch nicht haltbar. Wie die Grafik zeigt, ist die Tageslänge im Nordsommer gerade am kürzesten, die Erde dreht sich dann also besonders schnell. Der sicherlich vorhandene Einfluss des Laubes wird also durch entgegengerichtete größere Effekte völlig überdeckt.
Bei all diesen Fluktuationen ist zu bedenken, dass sich auch relativ kleine Einflüsse zu merklichen Auswirkungen aufsummieren können, wenn die Einwirkdauer lang genug ist. Bei den längerfristigen Fluktationen sind daher geringere Drehmomente oder Drehimpulsumverteilungen nötig als bei kürzerfristigen.
UT1-UTC_1973_2005.png Der Überschuss der Tageslänge über die nominalen 86400 s muss regelmäßig durch eine Schaltsekunde ausgeglichen werden. Liegt die Tageslänge beispielsweise längere Zeit um 2 ms über dem Sollwert, so gerät die Erdrotation gegenüber einer konstant gehenden Atomuhr mit jedem Tag um 2 ms mehr in Verzug. Nach 500 Tagen wäre der Unterschied auf eine Sekunde aufgelaufen: die 500ste Rotation wäre erst um 1 Sekunde nach Mitternacht (Atomzeit) des 500sten Tages beendet. Die Uhren werden dann eine Sekunde lang angehalten („Schaltsekunde“), damit die im Alltag verwendete Zeitskala sich nicht zu weit von dem durch die Erdrotation vorgegebenen Tag-Nacht-Wechsel entfernt. Diese Zeitskala, die einerseits auf der durch Atomuhren definierten und daher streng gleichmäßigen SI-Sekunde beruht, die aber andererseits durch Einfügen (oder gegebenenfalls Weglassen) von Schaltsekunden an die unregelmäßige Erdrotation angepasst wird, ist die Koordinierte Weltzeit UTC. Sie entfernt sich mit jeder positiven Schaltsekunde weiter von der streng gleichmäßigen aber nur für wissenschaftliche und technische Zwecke benutzten Internationalen Atomzeit TAI. Eine Schaltsekunde wird eingefügt, wenn der Unterschied zwischen Erdrotation und UTC über 0,9 s anzuwachsen droht.
Im genannten Beispiel wäre etwa alle anderthalb Jahre eine Schaltsekunde nötig. Dies war während der 1980er-Jahre auch tatsächlich der Fall. Wie der Tageslängengrafik zu entnehmen ist, hat sich die Tageslänge seit Mitte der 90er-Jahre wieder deutlich dem Sollwert angenähert, so dass zwischen 1998 und 2005 keine Schaltsekunde erforderlich war.
Da bis zur Einführung von Atomuhren die vom Beobachter benutzte Zeitskala stets am Sonnenlauf und damit letztlich an der Erddrehung abgeglichen wurde, war sie denselben Fluktuationen und langfristigen Driften unterworfen wie die Erdrotation. Andererseits beruhen moderne physikalische Modelle der Planetenbewegung auf einem streng gleichmäßigen Zeitverlauf, wie er heutzutage unabhängig von der Erddrehung mit Atomuhren realisiert werden kann. Konkret wird hierfür die so genannte Dynamische Zeit benutzt. Rechnet man nun die Planetenbewegungen zurück, um den Zeitpunkt des beobachteten Ereignisses in Dynamischer Zeit zu bestimmen und vergleicht diesen Zeitpunkt mit der überlieferten Ortszeit des Beobachters, so stellt man eine Diskrepanz fest, die kontinuierlich anwächst, je weiter man in die Vergangenheit zurückgeht. Für babylonische Berichte um das Jahr −700 beispielsweise unterscheidet sich die überlieferte Ortszeit um etwa fünf bis sechs Stunden von jener Zeit, die man unter der Annahme einer konstanten Erdrotation erwarten würde.
Die Auswertung zahlreicher Beobachtungen aus den letzten zweieinhalb Jahrtausenden zeigt, dass die Tageslänge während dieses Zeitraums im Mittel um etwa 17 μs pro Jahr zunahm. Dies stimmt gut überein mit dem unabhängig davon gewonnenen Befund, dass die Tageslänge wegen der Gezeitenreibung um etwa 23 μs pro Jahr zunimmt (über die Drehimpulserhaltung abgeleitet aus dem beobachteten Einfluss der Gezeitenreibung auf den Mond), während die durch die postglaziale Landhebung verursachte Verschlankung der Erde wegen des damit einhergehenden Pirouetteneffektes die Tageslänge um etwa 4,5 μs pro Jahr verkürzt.
Für prähistorische Zeiten lässt sich die Geschwindigkeit der Erdrotation aus täglichen Wachstumsringen fossiler Meeresorganismen mit Kalkskelett ablesen. Wenn der tägliche Zuwachs durch den monatlichen Wechsel von Nipp- und Springtide oder durch den jährlichen Jahreszeitenwechsel moduliert wird (wie man auch an heute lebenden Verwandten solcher Organismen beobachten kann), so lässt sich durch Abzählen der Ringe zumindest im Prinzip die Anzahl der Tage im Monat beziehungsweise im Jahr ermitteln. Entsprechende Untersuchungen deuten beispielsweise an, dass vor 400 Millionen Jahren das Jahr etwa 400 Tage hatte, aber auch dass die Stärke der Gezeitenreibung über erdgeschichtliche Zeiträume hinweg merklich variierte. Eine solche Variation erscheint plausibel, da der größte Teil des Energieumsatzes vermutlich durch Gezeitenströmungen in den flachen Schelfmeeren verursacht wird und deren Ausdehnung und Verteilung sich infolge der Kontinentaldrift stark ändern kann.
Hauptartikel: Präzession, Nutation (Astronomie)
Hauptartikel: Polbewegung
Die dafür nötigen regelmäßig weltweit durchgeführten Beobachtungen werden vom International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) koordiniert, ausgewertet und veröffentlicht.
Die so gewonnenen Daten sind auch selbst von wissenschaftlichem Interesse. Sie enthalten Informationen über den Aufbau und die physikalischen Eigenschaften der Erde, Formänderungen der Erdkugel, Änderungen in der genauen Lage des Erdschwerpunkts und im Erdinneren ablaufende geophysikalische Prozesse.
Die einschlägigen Beobachtungen erfolgten seit dem Ende des neunzehnten Jahrhunderts durch Positionsmessungen an Sternen oder Beobachtungen von Sternbedeckungen durch den Mond. Es konnte alle fünf Tage eine Bestimmung der Parameter vorgenommen werden. Seit den 1970er und 1980er Jahren kamen VLBI-Messungen und GPS-Beobachtungen sowie Laserentfernungsmessungen zu geeigneten Satelliten und zum Mond dazu, und es konnten stündliche oder sogar etwas häufigere Messwerte erfasst werden. Neuerdings lassen sich die Fluktuationen mit Hilfe von Ringlasern auch kontinuierlich verfolgen. Die für die Bestimmung der Erdrotationsparameter benötigten Dreh- und Richtungswinkel können heutzutage mit einer Genauigkeit von etwa einer halben Millibogensekunde gemessen werden. In Mitteleuropa arbeiten einige Forschungsgruppen an dieser Thematik, unter anderem in Hannover (Jürgen Müller) und in Wien (Harald Schuh).
Die Geschwindigkeit, mit der sich die Erdoberfläche in Äquatornähe um die Achse dreht, beträgt ca. 1666 Km/h in östliche Richtung.
Wenn zwei Gas- oder Staubteilchen sich relativ zueinander bewegen, so hat jedes bezüglich des anderen einen Drehimpuls, sofern sie sich nicht exakt aufeinander zu bewegen. Die Existenz eines Drehimpulses ist also nicht an eine Kreisbewegung gebunden; auch ein geradlinig oder sonst beliebig bewegtes Teilchen trägt bezüglich eines Referenzpunktes einen Drehimpuls, sofern seine Bewegung von diesem Referenzpunkt aus gesehen eine Seitwärtskomponente hat, also nicht direkt auf den Referenzpunkt zu gerichtet ist. Man betrachte etwa eine Billardkugel, die eine zweite Kugel nicht völlig zentral trifft. Beide Kugeln werden sich nach der Kollision um ihre Hochachsen drehen; der in diesen Drehungen steckende Drehimpuls wurde dem Drehimpuls entnommen, den die linear bewegte Kugel vor dem Stoß bezüglich der zweiten Kugel hatte. Würden die Kugeln beim Stoß zusammenkleben, so würde das entstandene Objekt rotieren. Aus demselben Grund rotieren auch die in einer Gas- und Staubwolke gebildeten Klümpchen, da es sehr unwahrscheinlich ist, dass alle ihre Bestandteile exakt zentral aufeinander gestoßen sind. Auch nachdem die Klümpchen zu größeren Planetesimalen angewachsen sind, ändert jeder Einschlag eines Planetesimals auf einem Protoplaneten dessen Rotation je nach Einschlagpunkt und -winkel. Die Antwort auf die Frage „woher kam der Drehimpuls“ lautet also: aus der ungeordneten Bewegung der Teilchen, die neben ihrem mit der Bewegung verbundenen linearen Impuls auch stets einen Drehimpuls tragen und deren Drehimpulse sich bei der Zusammenballung zu Planeten nicht alle gegenseitig aufgehoben haben. Je kompakter sich der entstehende Körper verdichtet, desto schneller dreht er sich (auch bei konstant bleibendem Drehimpuls) aufgrund des Pirouetteneffektes.
Die Drehrichtung der Erde ist identisch mit der Umlaufsrichtung auf ihrer Bahn um die Sonne, wie bei fast allen anderen Planeten auch. Lediglich die Venus dreht sich entgegengesetzt, und die Drehachse von Uranus liegt nahezu in seiner Bahnebene.
This article is licensed under the GNU Free Documentation License.
It uses material from the
"Erdrotation".
Home Page • arts • business • computers • games • health • hospitals • home • kids & teens • news • physicians • recreation• reference • regional • science • shopping • society • sports • world