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Kräfte an der Kern-Mantel-Grenze verändern die Tageslänge auf der Erde
Winzige Zeitverschiebungen: Die Dauer eines Erdtags schwankt über Jahrzehnte um einige Millisekunden. Ein neues Modell verbindet diese langsamen Veränderungen vor allem mit der Schwerkraftkopplung zwischen innerem Erdkern und Mantel, während elektromagnetische und topografische Kräfte dagegenwirken. Die Analyse liefert zugleich Hinweise auf die Eigenschaften der tiefsten Erdschichten.
Edmonton (Kanada). Ein Erdentag hat im Mittel 86.400 Sekunden, doch die Rotation unseres Planeten ist nicht vollkommen gleichmäßig. Neben Gezeiten, Atmosphäre und Ozeanen verändert auch der Austausch von Drehimpuls zwischen Erdkern und Mantel die Tageslänge. Auf Zeitskalen von Jahrzehnten geht es dabei um nur wenige Millisekunden.
Seit Langem ist klar, dass Strömungen im flüssigen äußeren Kern und die Bewegung des festen inneren Kerns beteiligt sind. Offen blieb jedoch, welche Kräfte den nötigen Drehimpulsaustausch zwischen Kern und Mantel vermitteln. Genau diese Frage haben Geophysiker nun mit einem Modell untersucht, das seismische Daten, Magnetfeldänderungen und gemessene Schwankungen der Tageslänge zusammenführt.
Forscher der University of Alberta (U of A) um Huifeng Zhang haben dafür die Veränderungen der Tageslänge von 1964 bis 2019 analysiert. Sie entfernten saisonale Beiträge von Atmosphäre und Ozeanen sowie langfristige Trends und konzentrierten sich auf die langsame, etwa 60 bis 70 Jahre dauernde Schwankung. Als weitere Eingaben dienten eine seismisch rekonstruierte Rotation des inneren Erdkerns und aus Veränderungen des Magnetfelds abgeleitete Strömungen im äußeren Kern.
Im Modell passten die beobachteten Schwankungen am besten, wenn das gravitative Drehmoment des inneren Kerns die Hauptrolle spielt. Elektromagnetische und topografische Kräfte an der Kern-Mantel-Grenze wirken dagegen und begrenzen den Effekt. Die langsamen Änderungen der Tageslänge entstehen demnach aus kleinen Differenzen zwischen diesen entgegengesetzten Drehmomenten.
„Bevor wir zu diesem Ergebnis kamen, wussten wir nicht, dass sie miteinander konkurrieren“, sagt Huifeng Zhang.
Der Mechanismus beginnt mit der leicht unregelmäßigen Form des inneren Erdkerns. Seine Grenzfläche besitzt eine bevorzugte äquatoriale Ausrichtung, die gegenüber Massenunterschieden im Mantel nicht immer optimal orientiert ist. Strömungen im äußeren Kern können diese Ausrichtung verschieben. Die Schwerkraft versucht anschließend, inneren Kern und Mantel wieder günstiger auszurichten und übt dabei ein Drehmoment auf den Mantel aus.
Die rekonstruierten Bewegungen zeigen eine breite Oszillation: Um 2010 wechselte die relative Rotation des inneren Kerns von schneller zu langsamer gegenüber dem Mantel. Für den guten Abgleich mit der gemessenen Tageslänge muss sich die Grenzfläche des inneren Kerns nicht starr verhalten, sondern über Jahre viskos nachgeben. Die besten Modellanpassungen setzen diese Relaxationszeit in die Größenordnung von etwa zehn Jahren. Je nach angenommener Kopplung reicht der statistische Unsicherheitsbereich jedoch von wenigen Jahren bis zu mehreren Jahrzehnten.
Weil dieselben Drehmomente von den Eigenschaften tief im Erdinneren abhängen, liefert die Analyse zusätzliche Hinweise. Die Ergebnisse passen zu chemisch und thermisch besonderen Mantelbereichen nahe der Kern-Mantel-Grenze, zu einer dort vergleichsweise niedrigviskosen Post-Perowskit-Phase, also einer Hochdruckform eines Mantelminerals, und zu einer nur wenige Kilometer dicken, stark elektrisch leitfähigen eisenreichen Schicht an der Basis des Mantels. Diese Schlüsse sind jedoch an die verwendeten Modelle gekoppelt.
Entscheidend ist außerdem, was die Studie nicht erklärt. Die Schwerkraftkopplung beschreibt vor allem die sehr langsamen Veränderungen über mehrere Jahrzehnte. Kürzere kernbedingte Schwankungen von etwa zehn bis 30 Jahren dürften stärker durch Kräfte an der Kern-Mantel-Grenze bestimmt sein. Zugleich enthalten die derzeitigen Modelle dieser elektromagnetischen und topografischen Kopplung nicht genüge