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Erdachse
Die Erdachse ist die Rotationsachse der Erde. Sie verläuft durch den Massenmittelpunkt des Erdkörpers, das Geozentrum. Im Rahmen des äquatorialen …
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Definition, Pole und Jahreszeiten
Die Erdachse ist die Rotationsachse der Erde und verläuft durch deren Massenmittelpunkt, das Geozentrum. Im äquatorialen Koordinatensystem wird sie gelegentlich auch Himmelsachse genannt.
Ihre Schnittpunkte mit der Erdoberfläche bestimmen den geografischen Nord- und Südpol. Die magnetischen Pole hängen nicht direkt von ihrer Lage ab. An der gedachten Himmelskugel legt die Achse den nördlichen und südlichen Himmelspol fest; gegenwärtig liegt der Himmelsnordpol fast beim Polarstern. Außerdem definiert die Erdachse eine durch den Erdmittelpunkt verlaufende, zu ihr senkrechte Ebene: die Äquatorialebene.
Die Achse ist gegenüber der Ekliptikalebene, der mittleren Bahnebene der Erde, um 66,56° geneigt. Der entsprechende Komplementärwinkel beträgt 23,44° und bezeichnet die Neigung zwischen Äquator und Ekliptik. Diese Achsenneigung verursacht die Jahreszeiten.
Präzession und Nutation
Während eines Umlaufs der Erde um die Sonne bleibt die Rotationsachse in guter Näherung parallel zu sich selbst. Langfristig verändern jedoch die Anziehungskräfte von Mond und Sonne ihre Richtung. Ursache ist, dass die Erde keine genaue Kugel ist, sondern eine Abplattung von 1:298 beziehungsweise 21 Kilometern besitzt.
Die Präzession ist eine langsame Kreiselbewegung der Erdachse gegenüber dem himmelsfesten Fundamentalsystem. In 25.800 Jahren beschreibt die Achse einen Umlauf auf einem Kegelmantel um den Pol der Ekliptik. Der halbe Öffnungswinkel dieses Kegels beträgt 23,44°. Dieser Zyklus heißt auch Platonisches Jahr. Dabei wandert der Frühlingspunkt langsam durch die Sternbilder des Tierkreises: Seit der Antike hat er sich vom Widder in die Fische verlagert. In 13.000 Jahren wird statt des Polarsterns der helle Stern Wega über dem Nordpol stehen.
Der Präzessionskegel ist nicht glatt, weil sich die Nutation überlagert. Nutation bezeichnet kleinere periodische Schwankungen der Achsenrichtung. Sie entsteht vor allem durch die um etwa 5° gegen die Ekliptik geneigte Mondbahn. Ihre Schnittpunkte mit der Ekliptik heißen Mondknoten und durchlaufen in 18,5 Jahren einen Umlauf der lunisolaren Präzession. Dabei schwankt die Deklinationsamplitude des Mondes zwischen 18° und 29°, und der etwa 23° große Kegel wird um ungefähr ±20 Bogensekunden verbogen. Hinzu kommen Einflüsse der Planeten sowie kleine, rasch wechselnde Effekte mit Perioden zwischen einem Monat und fünf Tagen.
Polbewegungen im Erdkörper
Auch gegenüber einem fest mit der Erde verbundenen Koordinatensystem bewegt sich die wahre Erdachse. Diese relativ kleinen, periodischen Veränderungen heißen Polbewegungen und werden von internationalen Diensten überwacht. Hauptursachen sind Massenverlagerungen im Erdinneren, in den Ozeanen und in der Atmosphäre.
Die Polbewegungen erreichen bis zu 0,25 Bogensekunden, entsprechend etwa 9 Metern an der Erdoberfläche. Die beiden größten Anteile sind die Chandler-Schwingung mit einer Periode von 435 Tagen und einer Amplitude von ungefähr 6,3 Metern sowie die Jahresschwingung mit 365 Tagen und etwa 3,2 Metern. Kleinere Schwingungen mit Perioden von wenigen Stunden bis zu Jahrzehnten überlagern sie.
Starke Erdbeben können zusätzliche spontane Verschiebungen um einige Zentimeter auslösen. Beispiele sind das Seebeben vom 26. Dezember 2004 im Indischen Ozean vor Sumatra, das Erdbeben in Chile 2010 mit einer möglichen Verschiebung von etwa 8 Zentimetern und das Tōhoku-Erdbeben von 2011 mit möglicherweise 10 Zentimetern. Einer Studie zufolge verschob auch die Grundwasserentnahme die Erdrotationsachse: Der Nordpol habe sich deshalb von 1993 bis 2010 insgesamt um knapp 80 Zentimeter verlagert. Darüber hinaus hat sich die Erdachse im Laufe der Erdgeschichte kontinuierlich verschoben.
Klima und praktische Bedeutung
Änderungen der Erdrotationsachse beeinflussen zusammen mit Veränderungen der Ekliptikschiefe und der Exzentrizität, also der Form der Erdbahn, wie viel Sonnenstrahlung die Erde aufnimmt und wie sie geografisch verteilt wird. Dadurch können sich Jahreszeiten und das weltweite Klima verändern; solche Vorgänge können zur Auslösung oder Verstärkung von Warm- und Eiszeiten beitragen und gehören zum Zusammenhang der Milanković-Zyklen.
Die genaue Lage der Erdachse ist außerdem für Astronomie, Satellitennavigation und Raumfahrt unverzichtbar. Ohne Berücksichtigung der aktuellen Pollage entstünden Positionierungsfehler von mehr als zehn Metern, die sich bei Raumflügen auf ein Vielfaches vergrößern könnten. Deshalb gehören die Beobachtung der Erdrotation und die Bereitstellung der Erdrotationsparameter zu den zentralen Aufgaben der Geodäsie, der Wissenschaft von der Vermessung und Gestalt der Erde. Die Messungen ermöglichen zugleich geophysikalische Rückschlüsse auf das Erdinnere.
