Warum werden die Tage länger?

Ursprung der Verlangsamung der Erde

Eine Erde, die seit Millionen von Jahren langsamer wird

Die Rotation der Erde um sich selbst ist auf der geologischen Zeitskala nicht konstant. Paläontologische Analysen fossiler Korallen und Stromatolithen zeigen, dass ein Erdenjahr vor 400 Millionen Jahren aus etwa 420 Tagen bestand. Dieses Phänomen wird durch grundlegende physikalische Gesetze erklärt, die mit der Erhaltung des Drehimpulses und der Gravitationswechselwirkung zwischen Erde und Mond zusammenhängen.

Der Mond bremst die Erde: die Wirkung der Gezeitenkräfte

Der Hauptgrund für die Verlangsamung ist dieGezeitenkraftvom Mond ausgeübt. Diese Kraft erzeugt eine Verformung der festen und flüssigen Erde. Aufgrund der Viskosität des Erdmantels und der Trägheit der Ozeane zeigt dieser Gezeitenbuckel nicht direkt auf den Mond, sondern leicht nach vorne und erzeugt ein Bremsmoment. Dieses Paar neigt dazu, den Drehimpuls der Erdrotation auf die Umlaufbewegung des Mondes zu übertragen, der sich dann allmählich von uns entfernt (ca. 3,8 cm/Jahr).

Energieübertragung, Wärmeableitung und Verlängerung der Tage

Diese Energieübertragung führt zu einer Wärmeabgabe (hauptsächlich in den Ozeanen) und führt zu einer Verlangsamung der Erdrotation. Die durchschnittliche Tageslänge nimmt derzeit um etwa 1,7 Millisekunden pro Jahrhundert zu. Diese Variation mag klein erscheinen, aber kumulativ über Millionen von Jahren hinweg wird sie signifikant.

Eine instabile und unvorhersehbare Rotation

Die Erde dreht sich um eine imaginäre Achse, die geneigt und zum Himmelsnordpol ausgerichtet ist. Am Äquator erzeugt diese Rotation eine Oberflächengeschwindigkeit von etwa 1674,364 km/h. Diese Drehung galt lange Zeit als universelle Referenzbasis und wurde zur präzisen Zeitmessung verwendet. Doch in Wirklichkeit ist diese Geschwindigkeit weder konstant noch vollkommen regelmäßig: Die Erde erfährt subtile, aber messbare Schwankungen, die zu zeitlichen Desynchronisationen führen.

Seit den 1960er Jahren kam es aufgrund dieser Unregelmäßigkeiten zur Hinzufügung vonSchaltsekundenum die fortschreitende Verlangsamung der Rotation auszugleichen. Insgesamt wurden 34 Sekunden hinzugefügt, um die Übereinstimmung zwischen Atomzeit und astronomischer Zeit aufrechtzuerhalten. Es kommt vor, dass manche Minuten 61 Sekunden dauern. Obwohl dieses Phänomen auf kurze Sicht marginal ist, unterstreicht es die ständige Notwendigkeit, unsere Definition von Zeit neu zu bewerten.

Die Ursachen der Verlangsamung der Erde

Die Instabilität der Erdrotation ist auf eine Kombination interner und externer Faktoren zurückzuführen. Die Erde ist kein vollkommen starrer Körper: Ihre verschiedenen Schichten – metallischer Kern, Mantel, Kruste, Atmosphäre – interagieren dynamisch und nicht synchron. DortMondDurch seine Gezeiteneffekte wirkte es Milliarden von Jahren lang als natürliche Bremse für die Rotation des Erdmantels. Aber auch andere Körper im Sonnensystem, etwa die Planeten und die Sonne, tragen durch die Gravitation zu dieser Verlangsamung bei.

Ein Planet, der den Launen der Raumzeit unterliegt

Gelegentliche geophysikalische Phänomene beeinflussen auch die Länge des Tages:Kontinentaldrift, schwere Erdbeben, Meeresströmungen, Wetterereignisseintensiv. Diese Effekte können die Rotation um einige Mikrosekunden beschleunigen oder verlangsamen. Unser Planet wird in Wirklichkeit auf dem vierdimensionalen Gefüge der Raumzeit „herumgeschleudert“, einem kosmischen Trampolin, das von der Masse der Sterne gekrümmt wird. DieseGravitationsströmechaotisch, vorhergesagt durch die allgemeine Relativitätstheorie, beeinflussen dauerhaft das Trägheitsverhalten der Erde.

Die Atomsekunde versus astronomische Zeit

Im Jahr 1967 wurde die Sekunde atomar neu definiert, basierend auf 9.192.631.770 Schwingungen des Cäsium-133-Atoms. Aber diese Definition unterteilt den Stern- oder Sonnentag nicht perfekt. Es verbleibt ein kleiner Fehler, der durch die oben erwähnten natürlichen Schwankungen verstärkt wird.

Warum die Tageslänge genau messen?

Diese Schwankungen machen es erforderlichkontinuierliche Überwachungvon der Länge des Tages. Zeitmesssysteme müssen regelmäßig neu synchronisiert werden, um die zeitliche Konsistenz zwischen terrestrischen und weltraumgestützten Instrumenten sicherzustellen. Diese Präzision ist für moderne Technologien, insbesondere für globale Navigationssysteme wie das, von entscheidender BedeutungGPS. In einer Höhe von 20.000 km würde eine Verschiebung der Zeitberechnung um wenige Mikrosekunden zu einem Positionierungsfehler von mehreren hundert Metern auf der Erdoberfläche führen.

IERS und globale Wetterüberwachung

Aus diesem Grund mögen Organisationen dasIERS(International Earth Rotation and Reference Systems Service) überwacht kontinuierlich Schwankungen der Erdrotation. Diese Beobachtungen ermöglichen es, die globale gesetzliche Zeit regelmäßig anzupassen und die Zuverlässigkeit zeitabhängiger Systeme sicherzustellen.

Gegen Ende der Schaltsekunden im Jahr 2035

Seit 1972 wurde die koordinierte Weltzeit (UTC) gelegentlich durch Hinzufügen angepasstSchaltsekunden, um die unregelmäßige Verlangsamung der Erdrotation im Verhältnis zur Atomzeit auszugleichen. Diese zusätzliche Sekunde wird unvorhersehbar eingefügt, normalerweise Ende Juni oder Dezember, um die Differenz zwischen UTC und der Weltzeit UT1 unter 0,9 Sekunden zu halten. Obwohl wissenschaftlich begründet, erweist sich dieser Prozess für globale Computersysteme als problematisch.

Eine problematische Diskontinuität für die digitale Zeit

Das Einfügen einer Schaltsekunde führt zu einer zeitlichen Diskontinuität. Viele globale Computersysteme und Netzwerke, einschließlich derjenigen, die für verwendet werdenSatellitennavigation(GNSS),Finanztransaktionenoder dieTelekommunikationsinfrastruktur, arbeiten mit einem kontinuierlichen, streng monotonen Zeitbedarf. Das plötzliche Hinzufügen einer Sekunde unterbricht diese Kontinuität und kann zu Synchronisierungsfehlern, Dienstunterbrechungen oder sogar kritischen Ausfällen führen.

Kritische Vorfälle aufdecken

Bei der Einfügung dieser Sekunden wurde mehrfach von schwerwiegenden Vorfällen berichtet: Serverabschaltungen, Blockierung von GPS-Systemen, Fehlfunktionen der Bordsoftware. Die zunehmende Komplexität der globalen Synchronisierung macht diesen Vorgang zunehmend kostspieliger und riskanter. Im Jahr 2012 beispielsweise verursachte eine Schaltsekunde Ausfälle in den Systemen von Fluggesellschaften und sozialen Medien, was die zunehmende Unzulänglichkeit der Methode für moderne digitale Anforderungen verdeutlichte.

Die Entscheidung, im Jahr 2035 aufzugeben

Angesichts dieser Herausforderungen stimmten die Internationale Fernmeldeunion (ITU) und das Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM) mit Zustimmung der großen Wissenschaftsmächte im November 2022 dafürVerzicht auf Schaltsekunden ab 2035. Das UTC-System wird sich dann allmählich von der astronomischen Zeit (UT1) asynchronisieren, aber diese Drift wird langsam sein: etwa eine Sekunde alle 50 bis 100 Jahre, abhängig von der Entwicklung der Erdrotation.

Ein Kompromiss zwischen technologischer Kontinuität und astronomischer Präzision

Dieser technische Kompromiss garantiertperfekte Kontinuität der Zeitfür digitale Systeme und überlässt es künftigen Generationen, längerfristig über eine mögliche Neuausrichtung zu entscheiden. Wir reden bereits über die Möglichkeit einer viel zeitlicheren Anpassung, beispielsweise einer vollen Minute alle 500 oder 1000 Jahre. Dieser historische Wandel markiert einen Bruch zwischen der bürgerlichen und der astronomischen Zeit, spiegelt aber auch die Notwendigkeit einerzeitliche Konvention angepasst an das digitale Zeitalter.

Wie wird die Rotation der Erde gemessen?

Die Rotation der Erde, sichtbar durch die Sterne

Die Messung der Erdrotation basiert auf einer Kombination hochpräziser astronomischer, geodätischer und physikalischer Methoden. Historisch gesehen war es die Beobachtung der Körper, insbesondere der Sonne und der Sterne, die es ermöglichte, den Begriff des Tages zu definieren. Moderne Techniken ermöglichen es heute, Schwankungen der Tageslänge mikrosekundengenau zu messen.

Vom Sterntag zum Sonnentag: zweimal nicht synchron

Die älteste Methode basiert auf der Sternzeit, also der Zeitspanne, die zwei aufeinanderfolgende Durchgänge desselben Sterns am lokalen Meridian trennt. Diese Rotationsperiode, genanntSterntag, dauert ungefähr 23:56:4.0905. Es ist etwas kürzer als dasmittlerer Sonnentag, die aufgrund der Drehung der Erde um die Sonne 24 Stunden dauert. Der Vergleich dieser beiden Zeiten zeigt subtile Unterschiede in der Erdrotation.

Die Revolution der Atomuhr

Seit der Mitte des 20. Jahrhunderts hat die Einführung der Atomuhr die zeitliche Messtechnik revolutioniert. Der zweite ist nun absolut definiert, aus den Hyperfeinschwingungen des Cäsium-133-Atoms. Im Jahr 1967 legte die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) diese Definition fest9.192.631.770Schwingungen pro Sekunde. DERInternationale Atomzeit (TAI)ist damit zur absoluten Referenz für die physikalische Zeit geworden.

UTC: Synchronisation zwischen Himmel und Atomen

Durch den Vergleich zwischen dem TAI und der tatsächlichen Erdrotation (gemessen mit astronomischen Techniken) können Abweichungen erkannt werden. Diese Abweichungen werden zu einer korrigierten Weltzeit zusammengefasst, genanntUTC (koordinierte Weltzeit), zu denen wir hinzufügen oder entfernenSchaltsekundenwenn die Differenz zwischen TAI und UT1 0,9 Sekunden überschreitet.

Geodätische Präzisionsraummessungen

Die Erdrotation wird auch durch weltraumgeodätische Techniken wie gemessenVLBI(Very Long Baseline Interferometry), das Radiosignale sehr weit entfernter Quasare nutzt, um die genaue Position von Erdstationen in verschiedenen Breitengraden zu bestimmen. Diese Technik ist in der Lage, winzige Abweichungen in der Ausrichtung der Erde zu erkennen, einschließlich Nutation, Präzession und Polbewegung.

Weitere Werkzeuge tragen zur Feinmessung der Erdrotation bei:

• SLR (Satellite Laser Ranging): Misst mithilfe von Laserpulsen den Abstand zwischen der Erde und Retroreflektorsatelliten.
• GNSS (Globale Navigationssatellitensysteme): Analysiert die Position und Uhren von Satelliten im Orbit, um Schwankungen in der Tageslänge abzuleiten.
• DORIS (Satellitenintegrierte Doppler-Orbitographie und Radiopositionierung): Französisches System, das den Doppler-Effekt nutzt, um die Position eines Satelliten zu bestimmen und die Erdrotation zu überwachen.

Schließlich ist dieInternationaler Erdrotationsdienst (IERS)koordiniert alle diese Messungen und veröffentlicht regelmäßig die Rotationsparameter der Erde, die für wissenschaftliche Anwendungen, Telekommunikation, Astronomie und Weltraumnavigation von wesentlicher Bedeutung sind.

Langfristige Folgen

Auf dem Weg zu einer Erde, die sich synchron mit dem Mond dreht

Die Verlangsamung der Erdrotation hat mehrere physikalische, astronomische und klimatische Konsequenzen. Wenn sich dieser Trend fortsetzt, könnte die Erde sehr langfristig (mehrere Milliarden Jahre) einen Zustand erreichensynchrone Rotationmit dem Mond: Ein Tag auf der Erde würde dann so lange dauern wie ein Mondmonat, und der Mond wäre von einer einzigen Erdhalbkugel aus sichtbar, wie es umgekehrt bei uns bereits der Fall ist.

Atomzeit vs. astronomische Zeit: eine wachsende Kluft

Gleichzeitig wird diese Verlangsamung in Zeitmesssysteme integriert. DERWeltzeit (UT1), basierend auf der Erdrotation, weicht langsam davon abInternationale Atomzeit (TAI). Um diese Konsistenz beizubehalten, werden in unregelmäßigen Abständen Schaltsekunden hinzugefügtKoordinierte Weltzeit (UTC). Aufgrund seiner Komplexität für globale digitale Systeme wird dieser Prozess jedoch im Jahr 2035 aufgegeben.

Gezeitenreibung, ein Treiber der Planetenentwicklung

Auf größeren Skalen schließlich spielt die Dissipation von Gezeitenenergie eine wichtige Rolle in der dynamischen Entwicklung von Planetensystemen. Dieser Mechanismus, genanntGezeitenreibung, wirkt sich auch auf Exoplanetensysteme aus, insbesondere auf die gravitative Bindung bestimmter Exoplaneten in Bezug auf ihren Stern.