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Das Schwingen der Erdachse

Abbildung der Erdachse und ihrer Schwankungen (Abb.: R. Dill, GFZ).

Unser Planet dreht sich innerhalb eines Tages einmal um sich selbst. Da der Erdkörper keine gleichmäßig feste Kugel ist, erfolgt diese Drehung nicht ganz gleichförmig. Großräumige Windsysteme und ozeanische Strömungen, aber auch die Umverteilung von Wasser auf den Kontinenten verursacht durch den Wasserkreislauf, lenken die Bewegung ab. Die Folge: Die Ausrichtung der Erdrotationsachse relativ zum Sternenhimmel schwankt geringfügig aber messbar. Die GFZ-Wissenschaftler Henryk Dobslaw und Robert Dill, GFZ-Sektion Erdsystem-Modellierung, beschreiben in der Fachzeitschrift Advances in Space Research, wie sie kurzfristige Vorhersagen von Veränderungen in der Drehbewegung anhand von Modellrechnungen verbessern können.

Genaue Informationen über die Orientierung der Erde im All sind eine notwendige Grundlage für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Alltag. Dazu gehören die Kommunikation mit unbemannten Raumfahrzeugen, die Ortung und Verfolgung von Objekten im Weltall oder die Bestimmung der Position eines Objekts auf der Erde mit Hilfe von Satellitennavigationssystemen. Für viele dieser Anwendungen reicht es dabei nicht aus, nur den Ist-Zustand zu bestimmen. Einen Blick in die Zukunft bietet der Internationale Erdrotations- und Referenzsystemservice (IERS), der jeden Tag Vorhersagen zur Erdorientierung für die nächsten 90 Tage veröffentlicht.

Die Wettervorhersage hilft bei der Vorhersage der Polbewegung

Der IERS greift auf Ergebnisse von VLBI-Messungen zurück. VLBI steht für Very Long Baseline Interferometry, zu Deutsch: Radiointerferometrie auf langen Basislinien. Harald Schuh, Direktor des GFZ-Departments Geodäsie: „Dieses Verfahren liefert wichtige Informationen zur Orientierung der Erde im All. Mit Hilfe von etwa fünfzig über die ganze Erde verteilten Radioteleskopen können wir die Erdorientierung in Relation zu quasi unendlich weit entfernten und damit sozusagen ortsfesten Quasaren und Radiogalaxien bestimmen.“

Auch das GFZ wertet VLBI-Daten für verschiedene Anwendungen in der Geodäsie, Geophysik oder Astronomie aus. Außerdem führen die Forschenden bodengestützte Laserentfernungsmessungen zu erdnahen Satelliten durch und nutzen Beobachtungen der Satellitennavigationssysteme GPS und Galileo. Aus diesen Daten erstellen sie ein Referenznetz, über das die Orientierung der Erde und ihre Bewegung im All bestimmt werden. Der IERS berechnet daraus die Parameter der Erdorientierung und deren entsprechende Vorhersagen.

Dobslaw und Dill zeigen in ihrer Studie, dass sie die Genauigkeit dieser IERS-Vorhersagen um etwa 40 Prozent verbessern können. Henryk Dobslaw: „Wir beziehen einerseits aktuelle Wettervorhersagedaten des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage und des Deutschen Wetterdienstes und andererseits Modelle des Wasserkreislaufs und der Ozeandynamik in Prognoserechnungen der Polbewegungen ein, um die Vorhersagequalität zu verbessern.

Die Wissenschaftler greifen auf ein am GFZ weiterentwickeltes Ozeanzirkulationsmodell zurück und kombinieren es mit hydrologischen Modelldaten und den Wettervorhersagen. Damit können sie bestimmen, welchen Einfluss diese Massenbewegungen auf der Erdoberfläche auf die Schwankungen der Rotationsbewegung haben. Maik Thomas, Leiter der GFZ-Sektion Erdsystem-Modellierung: „Nur die Betrachtung der gesamten Dynamik in Atmosphäre, Ozeanen und im Wasserkreislauf kann die beobachteten Schwankungen der Erdorientierungsparameter erklären. Das Wissen darum, also der Rückblick auf die Daten der vergangenen Jahre, hat gezeigt, dass damit auch eine Vorhersage der zukünftigen Schwankungen möglich ist.“ Eine Überführung dieses Wissens in die Anwendung liefert nun erstmals die neue Studie. (ak)

Originalstudie: Dobslaw, H., Dill, R., 2018. Predicting orientation changes from global forecasts of atmosphere-hydrosphere dynamics. Advances in Space Research 61, 1047-1054. DOI: https://doi.org/10.1016/j.asr.2017.11.044

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