Die Forscher nutzten über mehr als 120 Jahre gesammelte Daten, um zu verstehen, wie sich schmelzendes Eis, erschöpftes Grundwasser und steigende Meeresspiegel auf die Rotationsachse des Planeten und die zunehmende Tageslänge auswirken.
Die Tage auf der Erde werden etwas länger und der Wandel beschleunigt sich. Der Grund dafür liegt in den gleichen Mechanismen, die in den letzten 120 Jahren auch dazu geführt haben, dass sich die Achse des Planeten um etwa 30 Fuß (10 Meter) verschoben hat. Die Ergebnisse stammen aus zwei kürzlich von der NASA finanzierten Studien, die sich mit der Frage befassten, wie sich die klimabedingte Umverteilung von Eis und Wasser auf die Erdrotation auswirkt.
Zu dieser Umverteilung kommt es, wenn Eisschilde und Gletscher stärker schmelzen, als sie durch Schneefall wachsen, und wenn Grundwasserleiter mehr Grundwasser verlieren, als sie durch Niederschläge wieder auffüllen. Diese daraus resultierenden Massenverschiebungen führen dazu, dass der Planet bei seiner Rotation wackelt und sich seine Achse verschiebt, ein Phänomen, das als Polarbewegung bezeichnet wird. Sie bewirken auch eine Verlangsamung der Erdrotation, gemessen an der Verlängerung des Tages. Beide Phänomene wurden seit 1900 aufgezeichnet.
Bei der Analyse der Bewegung der Pole über 12 Jahrzehnte führten die Wissenschaftler fast alle periodischen Schwankungen der Achsenposition auf Veränderungen im Grundwasser, in den Eisschichten, in den Gletschern und im Meeresspiegel zurück. Laut einem kürzlich in Nature Geoscience veröffentlichten Artikel waren Massenveränderungen im 20. Jahrhundert größtenteils das Ergebnis natürlicher Klimazyklen.
Dieselben Forscher schlossen sich für eine Folgestudie zusammen, die sich auf die Tageslänge konzentrierte. Sie fanden heraus, dass die Tage seit dem Jahr 2000 um etwa 1,33 Millisekunden pro 100 Jahre länger geworden sind, schneller als jemals zuvor im vorigen Jahrhundert. Ursache: Beschleunigtes Abschmelzen von Gletschern und Eisschilden in der Antarktis und Grönland durch vom Menschen verursachte Treibhausgasemissionen. Ihre Ergebnisse wurden am 15. Juli in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht.
Die Arktis wird in dieser Visualisierung aus dem Jahr 2010 anhand von Daten des Aqua-Satelliten der NASA erfasst. Eine neue Studie quantifiziert, wie Klimaprozesse, einschließlich schmelzender Eisschilde und Gletscher, die Bewegung der Pole steuern. Eine weitere Studie untersucht, wie polares Schmelzwasser die Verlängerung der Tage auf der Erde beschleunigt. Wissenschaftliches Visualisierungsstudio der NASA
„Die allgemeine Botschaft dieser beiden Arbeiten ist, dass Klimaveränderungen auf der Erdoberfläche, unabhängig davon, ob sie durch menschliche Aktivitäten verursacht werden oder nicht, starke Treiber für die Veränderungen sind, die wir in der Rotation des Planeten beobachten“, sagte Surendra Adhikari, Co-Autor beider Arbeiten und ein Geophysiker am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien.
In der Anfangszeit verfolgten Wissenschaftler die Bewegung der Pole, indem sie die scheinbare Bewegung der Sterne maßen. Später wechselten sie zur Interferometrie mit sehr langer Basislinie, die Radiosignale von Quasaren analysiert, oder zur Satelliten-Laserentfernungsmessung, bei der Laser auf Satelliten gerichtet werden.
Forscher gehen seit langem davon aus, dass die Bewegung der Pole das Ergebnis einer Kombination von Prozessen im Inneren der Erde und auf ihrer Oberfläche ist. Weniger klar ist, wie sehr jeder Prozess die Achse verschiebt und welche Auswirkungen jeder hat – zyklische Bewegungen, die sich über Zeiträume von Wochen bis Jahrzehnten wiederholen, oder eine stetige Drift über Jahrhunderte oder Jahrtausende.
Für ihre Arbeit verwendeten die Forscher Algorithmen des maschinellen Lernens, um die 120-Jahres-Aufzeichnung zu analysieren. Sie fanden heraus, dass 90 % der wiederholten Schwankungen zwischen 1900 und 2018 durch Veränderungen des Grundwassers, der Eisschilde, der Gletscher und des Meeresspiegels erklärt werden können. Der Rest war größtenteils ein Ergebnis der inneren Dynamik der Erde, wie etwa Schwankungen aufgrund der Neigung des inneren Kerns relativ zum Hauptkörper des Planeten.
Polare Bewegungsmuster, die mit Massenverschiebungen an der Oberfläche verbunden sind, wiederholten sich im 20. Jahrhundert etwa alle 25 Jahre mehrmals, was Forscher zu der Annahme veranlasste, dass sie größtenteils durch natürliche Klimaveränderungen verursacht wurden. Frühere Arbeiten haben Verbindungen zwischen späteren Polbewegungen und menschlicher Aktivität hergestellt, darunter Arbeiten von Adhikari, die die plötzliche Verschiebung der Achse nach Osten (beginnend um das Jahr 2000) auf das schnellere Abschmelzen der grönländischen und antarktischen Eisschilde und die Erschöpfung des Grundwassers in Eurasien zurückführten.
Die Studie konzentrierte sich auf die letzten zwei Jahrzehnte, in denen der per Satellit gemessene Grundwasser- und Eisverlust sowie der Anstieg des Meeresspiegels eng mit dem vom Menschen verursachten Klimawandel verbunden waren.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass das schmelzende Eis in Grönland und den Polarregionen zu einem Anstieg des Meeresspiegels führt und Masse um den Planeten bewegt, sodass seine Rotation langsamer wird. NASA
Es sei „bis zu einem gewissen Grad wahr“, dass menschliche Aktivitäten die Bewegung der Pole beeinflussen, sagte Mostafa Kiani Shahvandi, Hauptautor beider Arbeiten und Doktorand an der Schweizer Universität ETH Zürich. „Aber es gibt natürliche Modi im Klimasystem, die einen großen Einfluss auf die Variationen in der Bewegung der Pole haben.“
Die Position der Erddrehachse hat sich zwischen 1900 und 2023 um etwa 30 Fuß (10 Meter) verschoben, wie in dieser Animation gezeigt. Eine aktuelle Studie ergab, dass etwa 90 % der periodischen Schwankungen der Polarbewegung durch schmelzende Eisschilde und Gletscher, sinkendes Grundwasser und steigende Meeresspiegel erklärt werden können.
Für die zweite Arbeit nutzten die Autoren Satellitenbeobachtungen der Massenveränderung der GRACE -Mission (kurz für Gravity Recovery and Climate Experiment) und ihrer Fortsetzung GRACE-FO sowie frühere Massenbilanzstudien, die die Auswirkungen von Veränderungen im Grundwasser und Eis analysierten Schichten und Gletscher bis zum Anstieg des Meeresspiegels im 20. Jahrhundert, um die durch diese Faktoren verursachten Veränderungen der Tageslänge von 1900 bis 2018 zu rekonstruieren.
Wissenschaftler wissen aus historischen Aufzeichnungen von Finsternissen, dass die Tageslängen über Jahrtausende zugenommen haben. Obwohl dies für den Menschen kaum wahrnehmbar ist, muss die Verzögerung berücksichtigt werden, da viele moderne Technologien, einschließlich GPS, auf einer präzisen Zeitmessung basieren.
In den letzten Jahrzehnten hat das schnellere Abschmelzen der Eisschilde zu einer Massenverschiebung von den Polen in Richtung des äquatorialen Ozeans geführt. Diese Ausrichtung führt dazu, dass die Erde langsamer wird und die Tage länger werden.
Die Autoren bemerkten kurz nach dem Jahr 2000 einen Anstieg der Tagesverlängerungsrate, eine Veränderung, die eng mit unabhängigen Beobachtungen der Ausrichtung korreliert. Zwischen 2000 und 2018 betrug die Zunahme der Tageslänge aufgrund der Bewegung von Eis und Grundwasser 1,33 Millisekunden pro Jahrhundert – schneller als in jedem Zeitraum der 100 Jahre zuvor, als sie ein Jahrhundert lang zwischen 0,3 und 1,0 Millisekunden schwankte.
Die Forscher stellen fest, dass sich die durch Veränderungen in Eis und Grundwasser verursachte Ausbreitung bis zum Jahr 2100 verlangsamen könnte, wenn das Klimaszenario erhebliche Emissionsreduzierungen vorsieht. (Selbst wenn die Emissionen heute gestoppt würden, würden zuvor freigesetzte Gase, insbesondere Kohlendioxid, noch Jahrzehnte lang verbleiben.)
Wenn die Emissionen weiter steigen, könnte die Verlängerung der Tage aufgrund des Klimawandels 2,62 Millisekunden pro Jahrhundert erreichen und damit den Effekt der Mondgravitation auf die Gezeiten übertreffen, der die Tageslänge auf der Erde um durchschnittlich 2,4 Millisekunden pro Jahrhundert erhöht hat. Dieser Effekt, der als Gezeitenreibung auf dem Mond bezeichnet wird, ist seit Milliarden von Jahren der Hauptgrund für die Zunahme der Tageslänge auf der Erde.
Die neueste Klimamission der NASA hat damit begonnen, Daten über die Wärmemenge in Form von Ferninfrarotstrahlung zu sammeln, die arktische und antarktische Umgebungen in den Weltraum abgeben. Diese Messungen der polaren Strahlungsenergie im Ferninfrarot-Experiment (PREFIRE) sind der Schlüssel zu einer besseren Vorhersage, wie sich der Klimawandel auf das Eis, die Meere und das Wetter der Erde auswirken wird – Informationen, die der Menschheit helfen werden, sich besser auf eine sich verändernde Welt vorzubereiten.
Einer von zwei schuhkartongroßen PREFIRE-Würfelsatelliten, kurz CubeSats, wurde am 25. Mai von Neuseeland aus gestartet, sein Zwillingssatellit am 5. Juni. Der erste CubeSat begann am 1. Juli mit der Übertragung wissenschaftlicher Daten. Der zweite CubeSat begann am 25. Juli mit der Erfassung wissenschaftlicher Daten und die Mission wird Daten veröffentlichen, sobald ein Problem mit dem GPS-System des CubeSat behoben ist.
Die PREFIRE-Mission wird Forschern helfen, ein klareres Verständnis darüber zu erlangen, wann und wo die Arktis und die Antarktis Ferninfrarotstrahlung (Wellenlängen größer als 15 Mikrometer) in den Weltraum emittieren. Dazu gehört auch, wie sich atmosphärischer Wasserdampf und Wolken auf die Wärmemenge auswirken, die die Erde verlässt. Da Wolken und Wasserdampf Ferninfrarotstrahlung nahe der Erdoberfläche einfangen können, können sie die globale Temperatur in einem Prozess erhöhen, der als Treibhauseffekt bekannt ist. Dabei wirken Gase in der Erdatmosphäre – wie Kohlendioxid, Methan und Wasserdampf – als Isolatoren und verhindern, dass die vom Planeten abgegebene Wärme in den Weltraum entweicht.
„Wir sind ständig auf der Suche nach neuen Wegen, den Planeten zu beobachten und kritische Wissenslücken zu schließen. Mit CubeSats wie PREFIRE machen wir beides“, sagte Karen St. Germain, Direktorin für Geowissenschaften am NASA-Hauptquartier in Washington. „Die Mission, Teil unseres wettbewerbsorientierten Earth Venture-Programms, ist ein hervorragendes Beispiel für die innovative Wissenschaft, die wir durch die Zusammenarbeit mit Universitäten und Industriepartnern erreichen können.“
In den Tropen absorbiert die Erde den größten Teil der Sonnenenergie; Wetter und Meeresströmungen transportieren diese Wärme in die Arktis und Antarktis, die viel weniger Sonnenlicht erhalten. Die polare Umgebung – einschließlich Eis, Schnee und Wolken – strahlt einen Großteil dieser Wärme in den Weltraum ab, ein Großteil davon in Form von Ferninfrarotstrahlung. Aber diese Emissionen wurden nie systematisch gemessen, und hier kommt PREFIRE ins Spiel.
„Es ist so aufregend zu sehen, wie die Daten eingehen“, sagte Tristan L’Ecuyer, PREFIRE-Hauptforscher und Klimawissenschaftler an der University of Wisconsin-Madison. „Mit der Hinzufügung der Ferninfrarotmessungen von PREFIRE sehen wir zum ersten Mal das gesamte Energiespektrum, das die Erde in den Weltraum abgibt, was für das Verständnis des Klimawandels von entscheidender Bedeutung ist.“
Diese Visualisierung der PREFIRE-Daten zeigt Helligkeitstemperaturen – oder die Intensität der von der Erde emittierten Strahlung bei mehreren Wellenlängen, einschließlich Ferninfrarot. Gelbe und rote Farben weisen auf intensivere Emissionen hin, die von der Erdoberfläche ausgehen, während Blau und Grün geringere Emissionsintensitäten darstellen, die mit kälteren Bereichen auf der Erdoberfläche oder in der Atmosphäre zusammenfallen.
Die Visualisierung beginnt mit der Darstellung von Emissionsdaten im mittleren Infrarotbereich (Wellenlängen zwischen 4 und 15 Mikrometern), die Anfang Juli während mehrerer polarer Umlaufbahnen des ersten gestarteten CubeSat gesammelt wurden. Anschließend zoomt sie auf zwei Vorbeiflüge an Grönland heran. Die Bahnspuren dehnen sich vertikal aus, um zu zeigen, wie sich die Ferninfrarotstrahlung in der Atmosphäre verändert. Die Visualisierung endet mit der Fokussierung auf den Bereich, in dem sich die beiden Durchgänge schneiden, und zeigt, wie sich die Intensität der Ferninfrarotstrahlung in den neun Stunden zwischen den beiden Umlaufbahnen verändert hat.
Die beiden PREFIRE CubeSats befinden sich auf asynchronen, zirkumpolaren Umlaufbahnen, das heißt, sie überfliegen innerhalb weniger Stunden dieselben Orte in der Arktis und Antarktis und sammeln dabei dieselben Daten. Dadurch steht den Forschern eine Zeitreihe von Messungen zur Verfügung, mit deren Hilfe sie relativ kurzfristige Phänomene wie schmelzende Eisschilde oder Wolkenbildung und deren Auswirkungen auf die Ferninfrarotstrahlung im Laufe der Zeit untersuchen können.
Die PREFIRE-Mission wurde gemeinsam von der NASA und der University of Wisconsin-Madison entwickelt. Das Jet Propulsion Laboratory der NASA, eine Caltech-Abteilung in Pasadena, Kalifornien, leitet die Mission für das Science Mission Directorate der NASA und stellt die Spektrometer bereit. Blue Canyon Technologies hat die CubeSats gebaut und betreibt sie jetzt, und die University of Wisconsin-Madison verarbeitet und analysiert die von den Instrumenten gesammelten Daten.