Der Massenschwerpunkt der Erde verschiebt sich im Laufe eines Jahres um mehrere Millimeter relativ zur festen Erdoberfläche. Grund dafür sind jahreszeitliche Veränderungen wie Monsunregen, Schneedecken, Meereswasser und Luftmassen, die sich global verteilen und so das Gewicht verlagern. Eine Studie, die im Geophysical Journal International veröffentlicht wurde, hat diese Bewegung genauer untersucht. Dabei wurden Satellitenlaserentfernungsmessungen, GPS-Daten und die Bahnen von erdnahen Satelliten kombiniert, um zwei neue Schätzungen der jährlichen Verschiebung zu erstellen.
Unterschiedliche Bezugspunkte der Erde
Für die präzise Vermessung der Erde gibt es mehrere Bezugspunkte. Der Massenschwerpunkt des gesamten Erdsystems umfasst die feste Erde, Ozeane, Atmosphäre, Eis, Bodenfeuchtigkeit, Flüsse und Grundwasser. Dieser Punkt ist das Gleichgewichtszentrum, um das Satelliten kreisen. Der geometrische Mittelpunkt der festen Erdoberfläche beschreibt dagegen die reine Form des Planeten. Ein dritter Bezugspunkt ist das Zentrum eines geodätischen Netzwerks, das aus den Positionen von Messstationen abgeleitet wird. Diese Netzwerkmittelpunkte dienen oft als praktische Annäherung an den geometrischen Mittelpunkt, obwohl die Stationen weder perfekt verteilt noch vollständig stabil sind.
Die Verschiebung des Massenschwerpunkts relativ zur Erdkruste oder umgekehrt ist eine relative Bewegung. Es handelt sich nicht um eine Änderung der Erdposition im Sonnensystem oder um die Polbewegung, bei der sich die Rotationsachse der Erde relativ zur Kruste verschiebt. Beide Phänomene können durch Massenumverteilungen beeinflusst werden, beschreiben jedoch unterschiedliche Aspekte der Erdynamik.
Messmethoden und Herausforderungen
Satelliten folgen dem Massenschwerpunkt der Erde, da ihre Bahnen durch die Schwerkraft bestimmt werden. Geodäten nutzen diese Tatsache, indem sie Satelliten von der Erde aus verfolgen und rückwärts den Bezugspunkt berechnen, den ihre Bahnen offenbaren. Die beiden LAGEOS-Satelliten sind besonders nützlich für diese Messungen. Sie sind dichte, passive Kugeln, die mit Retroreflektoren ausgestattet sind. Bodenstationen senden Laserpulse zu den Satelliten und messen die Zeit bis zur Rückkehr, wodurch präzise Entfernungsdaten erfasst werden.
Ein Problem bei traditionellen Satellitenlaserentfernungsmessungen ist die ungleichmäßige geografische Verteilung der Messstationen. Etwa die Hälfte der Stationen befindet sich in Europa und Nordamerika. Die neue Studie kombiniert daher mehrere Beobachtungssysteme. Eine Methode verwendet konventionelle Satellitenlaserentfernungsmessungen, während eine zweite Methode Laserentfernungsmessungen mit GPS-Daten und den Bahnen von erdnahen Satelliten integriert. GPS-Stationen sind global breiter verteilt, und die Satelliten liefern zusätzliche Informationen über den Massenschwerpunkt.
Ein weiteres Problem ist die elastische Verformung der Erdkruste durch jahreszeitliche Massenverschiebungen. Regen, Schnee, Meereswasser und Luftdruck drücken auf die Kruste und verursachen elastische Bewegungen. Diese Verformungen müssen bei den Messungen berücksichtigt werden, um Fehler in der Bestimmung des Bezugspunkts zu vermeiden. Die Studie verwendet Modelle der jahreszeitlichen Massenverteilung in der Atmosphäre, den Ozeanen und dem kontinentalen Wasser, um die elastischen Verschiebungen an jedem geodätischen Standort zu berechnen und sie von den gemessenen Positionen abzuziehen.
Jahreszeitliche Einflüsse auf die Massenverteilung
Die größten jahreszeitlichen Verschiebungen des Massenschwerpunkts werden durch Schnee im Norden und Wasser im Amazonasbecken verursacht. Im März erreicht die Schneedecke in Eurasien und Nordamerika ihr Maximum und verschiebt den Massenschwerpunkt um etwa drei Millimeter in Richtung Nordpol. Im April führt das zusätzliche Wasser im Amazonasbecken, das etwa 2.400 Gigatonnen beträgt, zu einer Verschiebung von etwa 2,2 Millimetern in Richtung Südamerika. Später im Jahr trägt das Monsunwasser in Südostasien mit etwa 600 Gigatonnen zu einer kleineren, aber messbaren Verschiebung bei.
Die Studie zeigt, dass die genaue zeitliche Abfolge dieser Verschiebungen von den verwendeten Modellen und der Definition der Regionen abhängt. Dennoch ist der physikalische Effekt klar: Wasser, das sich auf dem Land ansammelt, verändert das Gleichgewicht des Planeten.
- Quelle: Geophysical Journal International
- Quelle: NASA