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Schnee, Monsun und Ozeane verschieben den Schwerpunkt der Erde
Schnee, Regen, Ozeane und Luft verteilen jedes Jahr gewaltige Massen auf der Erde neu. Dadurch wandert ihr Massezentrum gegenüber dem geometrischen Mittelpunkt um mehrere Millimeter. Eine neue Auswertung von Satelliten- und Positionsdaten bringt bisher widersprüchliche Messverfahren auf wenige Millimeter zusammen und macht die saisonalen Ursachen genauer sichtbar.
Pasadena (U.S.A.). Der Schwerpunkt der Erde liegt nicht dauerhaft an derselben Stelle. Wasser, Eis und Luft werden im Jahreslauf zwischen Kontinenten, Ozeanen und Hemisphären verlagert, wodurch sich das Massezentrum des gesamten Systems leicht gegenüber dem geometrischen Mittelpunkt der festen Erde verschiebt. Satelliten umkreisen dieses Massezentrum, weshalb seine genaue Lage für globale Bezugssysteme und präzise Positionsmessungen wichtig ist.
Die Bewegung ist klein, doch ihre Bestimmung war bislang erstaunlich unsicher. Frühere Auswertungen mit Satelliten-Laserentfernung ergaben für die jährliche Schwingung entlang der Erdachse rund elf Millimeter, während Messungen der Schwerefeldmission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) nur etwa 4,2 Millimeter nahelegten. Ein Teil dieser Differenz entstand offenbar dadurch, dass Messstationen ungleich über den Globus verteilt sind und sich die Erdkruste unter wechselnden Wasser- und Luftlasten elastisch verformt.
Forscher des Jet Propulsion Laboratory (JPL) um Donald F. Argus haben deshalb ein Verfahren entwickelt, das diese elastische Verformung aus den Positionszeitreihen der Messstationen herausrechnet. Dafür modellierte das Team die Belastung durch Atmosphäre, Ozeane und Wasser auf den Kontinenten und korrigierte anschließend die gemessenen Stationsbewegungen. So lässt sich der geometrische Mittelpunkt der festen Erde besser vom Massezentrum des gesamten Planeten unterscheiden.
„Wir schätzen die Größe der Bewegung des Massezentrums der Erde, das sich jedes Jahr hin und her bewegt, jetzt auf etwa die Hälfte dessen, was wir noch vor acht Jahren angenommen haben. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Masse von Wasser und Luft der Erde, die zwischen den Hemisphären wandert, kleiner ist als bisher angenommen“, sagt Donald F. Argus.
Die Forscher prüften den Ansatz auf zwei unabhängigen Wegen. Eine Auswertung nutzte klassische Satelliten-Laserentfernung, die andere kombinierte das Global Positioning System (GPS), Laserentfernung und Daten von Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn. Beide neuen Schätzungen der jährlichen Bewegung liegen bei ihren Spitzenwerten höchstens 2,5 Millimeter von der aktuellen internationalen Referenz und von der aus GRACE abgeleiteten Schätzung entfernt. Damit schrumpft die langjährige Diskrepanz zwischen den Verfahren deutlich.
Die wichtigste Ursache ist der jährliche Austausch von Wasser zwischen Land und Meer. Insgesamt werden saisonal rund 6.300 Gigatonnen Wasser zwischen Kontinenten und Ozeanen verlagert. Das entspricht zugleich einer jährlichen Schwankung des globalen mittleren Meeresspiegels von etwa 17,3 Millimetern. Schnee in Eurasien und Nordamerika erreicht sein Maximum im März, Wasser im Amazonasgebiet im April, während die Ozeanmasse im Oktober am größten ist.
Diese Verlagerungen ziehen das Massezentrum in unterschiedliche Richtungen. Die Schneemassen im Norden verschieben es im März um etwa drei Millimeter in Richtung Nordpol. Im April erreicht das Wasser im Amazonasbecken nach der offiziellen Studienmitteilung rund 2.400 Gigatonnen und verschiebt das Massezentrum um etwa 2,2 Millimeter in Richtung Südamerika. Monsunwasser in Südostasien und saisonale Änderungen der Wassermasse im Pazifik tragen zusätzlich zur jährlichen Bewegung bei.
Auch die Atmosphäre wirkt mit. Ein Modell des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) zeigt, dass saisonal veränderte Luftmassen einen messbaren Anteil am Austausch zwischen den Hemisphären haben. Insgesamt stimmen die aus der Satellitenbahnbestimmung abgeleiteten Bewegungen des Massezentrums eng mit den Veränderun