Warum unsere Tage schwanken: Neue Nature-Studie erklärt die Kräfte tief im Erdkern

Das unsichtbare Tauziehen im Erdkern verändert die Länge unserer Tage Ein Tag hat 24 Stunden. Zumindest auf unseren Uhren. Die Erde selbst nimmt es mit dieser Zahl etwas weniger genau: Ihre Rotationsgeschwindigkeit schwankt ständig – manchmal wird ein Tag um winzige Bruchteile einer Sekunde länger, manchmal kürzer.

Was über Jahre und Jahrzehnte hinter diesen Veränderungen steckt, beschäftigt Geophysiker schon lange. Nun liefert eine neue Studie einen bemerkenswerten Hinweis: Tief unter unseren Füßen findet offenbar eine Art unsichtbares Tauziehen statt – zwischen dem festen inneren Erdkern und dem darüberliegenden Erdmantel.

Und dieses Kräftemessen ist tatsächlich stark genug, die Länge unserer Tage um einige Millisekunden zu verändern.

Ein Planet, der nicht ganz gleichmäßig tickt Dass die Erde kein perfektes Uhrwerk ist, wissen Wissenschaftler schon lange. Windströmungen in der Atmosphäre, Bewegungen der Ozeane, Gezeiten und selbst langfristige Wechselwirkungen mit dem Mond beeinflussen ihre Rotation.

Je nach Zeitraum dominieren jedoch unterschiedliche Ursachen. Saisonale Schwankungen entstehen vor allem durch Atmosphäre und Ozeane. Bei Veränderungen über mehrere Jahrzehnte spielt dagegen das tiefe Erdinnere eine entscheidende Rolle.

Für ihre neue Untersuchung konzentrierten sich Huifeng Zhang und Mathieu Dumberry von der University of Alberta auf Veränderungen zwischen 1964 und 2019. Bekannte saisonale Effekte sowie langfristige Trends wurden dabei herausgerechnet. Übrig blieb eine langsame Schwankung der Tageslänge um mehrere Millisekunden.

Tief im Erdinneren ziehen gleich mehrere Kräfte Unter dem rund 2.900 Kilometer mächtigen Erdmantel beginnt der Kern unseres Planeten. Sein äußerer Teil besteht aus flüssigem Metall, während im Zentrum ein fester, überwiegend aus Eisen bestehender innerer Kern liegt.

Dieser innere Kern dreht sich nicht immer exakt im gleichen Tempo wie der darüberliegende Mantel.

Genau hier setzt die neue Erklärung an: Dichtere Bereiche des inneren Kerns und des tiefen Mantels ziehen sich gegenseitig durch Gravitation an. Sind ihre Strukturen gegeneinander verschoben, entsteht ein Drehmoment – vereinfacht gesagt eine Kraft, die beide wieder günstiger zueinander ausrichten möchte.

Gleichzeitig wirken andere Kräfte dagegen. Strömendes Metall im äußeren Kern erzeugt das Erdmagnetfeld und kann elektromagnetische Kräfte auf den Mantel übertragen. Außerdem können Strömungen an Unebenheiten der Kern-Mantel-Grenze mechanischen Druck ausüben.

Das Ergebnis ist ein gewaltiges, aber extrem langsames geophysikalisches Tauziehen.

Die Gravitation scheint dabei die stärkste Rolle zu spielen Die Forscher kombinierten zwei ungewöhnliche Informationsquellen: seismische Messungen, aus denen sich Bewegungen des inneren Kerns rekonstruieren lassen, und Veränderungen des Erdmagnetfelds, aus denen Strömungen im flüssigen äußeren Kern abgeleitet werden können.

Anschließend berechneten sie, welche Kombination der verschiedenen Kräfte am besten zu den tatsächlich beobachteten Veränderungen der Tageslänge passt.

Das deutlichste Ergebnis: Das gravitative Drehmoment zwischen innerem Kern und Mantel kann Stärke und zeitlichen Verlauf der langfristigen Schwankungen am besten erklären.

Elektromagnetische und mechanische Kräfte verschwinden dadurch nicht. Im Modell wirken sie jedoch überwiegend in die entgegengesetzte Richtung – sie bremsen also den gravitativen Effekt.

Frühere seismologische Untersuchungen passen grundsätzlich zu diesem Bild. Messungen deuten darauf hin, dass sich die Rotation des inneren Kerns relativ zum Mantel über Jahrzehnte verändert und sich ihre Richtung beziehungsweise Geschwindigkeit ungefähr zwischen 2008 und 2010 deutlich verschoben hat.

Millisekunden werden zum Fenster ins Innere der Erde Für unseren Alltag sind diese Veränderungen winzig. Niemand wird morgens feststellen, dass die Nacht plötzlich einige Millisekunden länger gedauert hat.

Wissenschaftlich sind gerade diese winzigen Abweichungen jedoch ausgesprochen wertvoll.

Denn wenn ein Modell die beobachtete Erdrotation korrekt reproduziert, lassen sich daraus indirekt Eigenschaften von Regionen ableiten, die Menschen niemals direkt erreichen können. Die neue Studie liefert beispielsweise Hinweise auf die Beschaffenheit des untersten Erdmantels und darauf, wie leicht sich der feste innere Kern über längere Zeiträume verformen kann. Die Ergebnisse sind zudem mit besonderen thermochemischen Strukturen tief im Mantel und einer stark leitfähigen Zone nahe der Kern-Mantel-Grenze vereinbar.

Das macht einige Millisekunden plötzlich erstaunlich spannend.

Noch ist das Erdinnere nicht vollständig entschlüsselt Ganz abgeschlossen ist die Geschichte allerdings nicht. Das Modell hängt unter anderem davon ab, wie genau die bisher rekonstruierte Bewegung des inneren Kerns tatsächlich ist. Über Details dieser Rotation wird in der Forschung weiterhin diskutiert.

Außerdem beeinflussen Atmosphäre und Ozeane die Erdrotation ebenfalls – allerdings insbesondere auf anderen Zeitskalen. Die neue Arbeit liefert deshalb keinen universellen Mechanismus für jede Veränderung der Tageslänge, sondern eine Erklärung für den langsamen Rhythmus über Jahrzehnte.

Gerade darin liegt der Reiz der Entdeckung: Ein Unterschied, den kein Mensch spüren kann, wird zu einer Art Stethoskop für unseren Planeten.

Die Erde verrät uns mit jeder winzigen Veränderung ihrer Drehung ein bisschen mehr darüber, was Tausende Kilometer unter unseren Füßen geschieht.