Ein Tag dauert nicht immer gleich lang. Über Jahrzehnte beschleunigt und verlangsamt sich die Drehung der Erde, und die Tageslänge schwankt dabei um einige Millisekunden. Physiker der University of Alberta in Kanada haben nun gezeigt, was diese Schwankungen antreibt: vor allem eine Schwerkraftwirkung zwischen dem inneren Erdkern und dem Gesteinsmantel. Elektromagnetische Kräfte und Unebenheiten an der Kern-Mantel-Grenze wirken dagegen bremsend.
Im Alltag gilt ein Tag als 24 Stunden lang. Wer aber in Millisekunden rechnet, wie es Geophysiker tun, stellt fest, dass die Tageslänge ständig schwankt. Kurzfristig verändern Winde, Meeresströmungen und Gezeiten die Drehung der Erde. Über Jahrzehnte hinweg gibt es zudem langsame Schwankungen, die sich über mehrere Jahrzehnte aufbauen und wieder abklingen. Geophysiker messen diese Änderungen, indem sie die Lage der Erde gegenüber weit entfernten kosmischen Objekten verfolgen. Seit rund 30 Jahren ist bekannt, dass diese langsamen Schwankungen mit dem Erdkern zusammenhängen. Der flüssige äußere Kern, dessen Bewegungen sich an Veränderungen des Erdmagnetfelds ablesen lassen, dreht sich über einige Jahrzehnte schneller und dann wieder langsamer. Weil der Drehimpuls der Erde insgesamt gleich bleiben muss, reagiert der rund 3.000 Kilometer dicke Mantel entgegengesetzt. Dreht er sich langsamer, wird der Tag länger, dreht er sich schneller, wird er kürzer. Wie der Kern diesen Drehimpuls an den Mantel weitergibt, blieb bislang aber ungeklärt.
Für diesen Austausch waren drei Mechanismen im Gespräch: elektromagnetische Kopplung zwischen dem flüssigen, elektrisch leitenden Kern und dem Mantel, topografische Kopplung über Unebenheiten an der Grenze zwischen beiden sowie eine Schwerkraftwirkung des inneren Kerns. Der Doktorand Huifeng Zhang und der Geophysiker Mathieu Dumberry von der University of Alberta haben diese Möglichkeiten nun gegeneinander geprüft. Ihre Arbeit erschien am 23. September im Fachjournal Nature. Die beiden verknüpften seismologische Messungen, die zeigen, wie sich der innere Kern gegenüber dem Mantel dreht, mit einem Modell der Strömungen im äußeren Kern, das aus Veränderungen des Erdmagnetfelds abgeleitet ist. Auf dieser Grundlage rekonstruierten sie, welche Kräfte in den vergangenen Jahrzehnten zwischen Kern und Mantel wirkten, und verglichen die Ergebnisse mit den gemessenen Schwankungen der Tageslänge.
Das Ergebnis ist eindeutig: Die jahrzehntelangen Schwankungen der Tageslänge werden vor allem durch ein Schwerkraftdrehmoment angetrieben, während elektromagnetische und topografische Kräfte ihnen entgegenwirken. Der Mechanismus beruht darauf, dass weder der innere Kern noch der Mantel völlig gleichmäßig aufgebaut sind. Der innere Kern, eine feste Eisenkugel von der Größe des Mars, ist leicht länglich geformt und besitzt dichtere Bereiche. Auch im Mantel gibt es Zonen höherer Dichte, die ein ungleichmäßiges Schwerefeld erzeugen. Nach dem Modell möchte der innere Kern seine dichten Bereiche an denen des Mantels ausrichten, weil sich diese gegenseitig anziehen. Die überwiegend westwärts gerichteten Strömungen im flüssigen äußeren Kern ziehen den inneren Kern jedoch immer wieder aus dieser Ausrichtung heraus. Die Schwerkraft holt ihn anschließend langsam wieder zurück. Bei diesem Hin und Her wird Drehimpuls auf den Mantel übertragen, und die Tageslänge ändert sich.
Die Forscher beschreiben das Geschehen als Kräftemessen zwischen mehreren Mechanismen. Das Schwerkraftdrehmoment schiebt die Drehung des Mantels in eine Richtung, während Reibung und elektromagnetischer Widerstand an der Kern-Mantel-Grenze dagegenhalten und die Ausschläge begrenzen. Feine Verschiebungen im Gleichgewicht dieser Kräfte sind letztlich für die kleinen Änderungen der Tageslänge verantwortlich. Die Ergebnisse passen nach Angaben der Autoren zu Computermodellen des Geodynamos, jenes Prozesses im Erdkern, der das Magnetfeld erzeugt. Sie stützen zudem die Vorstellung, dass sich am Grund des Mantels Anhäufungen von Material befinden, die in ihrer Dichte kaum von ihrer Umgebung abweichen. Wie empfindlich die Erde auf Kräfte in ihrem Inneren reagiert, zeigt auch ein Fall, bei dem ein Loch in der Wüste Nevadas auf Erdbeben in Mexiko reagierte.
Die Studie liefert auch neue Hinweise auf die Beschaffenheit des Erdinneren. Damit das beschriebene Hin und Her funktioniert, muss sich der innere Kern auf Zeitskalen von etwa zehn Jahren zähflüssig verformen können, wie das Portal phys.org über die Studie berichtet. Obwohl er aus festem Eisen besteht, verhält er sich über lange Zeiträume also nicht völlig starr. Diese Eigenschaft beeinflusst wiederum, wie sich der innere Kern gegenüber dem Mantel dreht. Seismologen hatten in den vergangenen Jahren beobachtet, dass sich die Rotation des inneren Kerns im Vergleich zum Mantel verändert und womöglich zeitweise umkehrt. Die neue Arbeit liefert eine Erklärung, wie diese Bewegungen mit den Schwankungen der Tageslänge zusammenhängen. Die Autoren weisen allerdings darauf hin, dass ihre rekonstruierten Kräfte nur so genau sind wie die Modelle der Kernrotation und der Kernströmungen, auf denen sie beruhen.
Für den Alltag spielen einige Millisekunden keine Rolle, für die Technik aber sehr wohl. Satellitennavigation, Weltraummissionen und die Synchronisation von Datennetzen sind auf eine genaue Kenntnis der Erddrehung angewiesen. Die Differenz zwischen der astronomischen Zeit und der gleichmäßig tickenden Atomzeit wurde über Jahrzehnte durch Schaltsekunden ausgeglichen, die inzwischen abgeschafft werden sollen. Wer die Ursachen der Schwankungen versteht, kann sie künftig besser vorhersagen. Dumberry sieht den größeren Wert der Arbeit allerdings in der Tiefe: Die Erklärung des Drehmoments zwischen Kern und Mantel verbessere das Verständnis von Aufbau, Materialeigenschaften und Dynamik des Erdinneren. Das Erdinnere ist für direkte Messungen unerreichbar, Forscher müssen es aus Erdbebenwellen, Magnetfeld und Erddrehung erschließen. Welche Kräfte dabei an die Oberfläche durchschlagen, zeigen auch Erdbebenlichter, die vor manchen Beben den Himmel erhellen.
Nature, Gravitational torque drives multidecadal variations in length of day; doi:10.1038/s41586-026-10999-2