Hoe klimaatverandering de dagen langer maakt

De fysica achter het fenomeen is eenvoudig, aldus professor Benedikt Soja, verbonden aan het ETH Zurich en gespecialiseerd in geodensie. Dat is de wetenschap die zich bezighoudt met het meten van de aarde. 'Denk aan een schaatser die pirouettes draait op het ijs. Als die armen en benen uitstrekt, zal hij langzamer draaien, en omgekeerd. De rotatiesnelheid verandert naargelang de verdeling van de massa. Het impulsmoment, de maat voor de hoeveelheid draaibewegingen, blijft namelijk behouden.'

'Hetzelfde geldt voor de aarde. In de ijskappen van Groenland en Antarctica ligt een enorme massa water opgeslagen, dichtbij de rotatieas van de aarde. Wanneer het ijs smelt en dat vloeibaar water in de oceanen terecht komt, wordt de massa ervan gelijkmatiger over de aarde verdeeld. Het komt dan gemiddeld verder van de rotatieas terecht dan momenteel het geval is.'

Minimale tijdswinst

Door die meer gelijkmatige massaverdeling van de aarde, waarbij er zich dus meer massa verder weg van de rotatieas bevindt, zal de snelheid waarmee de aarde om haar as draait afnemen. Dat maakt dat een dag langer wordt, want die valt samen met één draaibeweging van de aarde om haar as.

Wie hoopt op extra tijd om drukke dagen door te komen is er echter aan voor de moeite. Het verschil is niet meer dan een paar milliseconden, vertelt Soja. 'Op basis van data van de laatste twintig jaar zien we hoe de dag een milliseconde per eeuw aan lengte zal winnen. We hebben verschillende klimaatscenario's naast elkaar gelegd, en in het meest pessimistische scenario waarbij het grootste deel van het poolijs wegsmelt, kan de vertraging van de aardrotatie oplopen tot twee à drie milliseconden per eeuw.'

Een haast nietige tijdswinst dus, maar toch significant. Want in dit scenario overstijgt de invloed van een veranderend klimaat op de aardrotatie de invloed van de aantrekkingskracht van de maan. 'Die is altijd de dominantie factor geweest in de snelheid van de draaibeweging van de aarde. Dat klimaatverandering veroorzaakt door de mens op korte tijd de impact van de maan overtreft, stemt tot nadenken,' vervolgt Soja.

El Niño

De rotatiesnelheid van de aarde – en daarmee verbonden de lengte van de dag – is een complex gegeven. Massadistributie speelt een rol, net als de aantrekkingskracht van de maan, maar ook de atmosfeer, de hydrologie van de oceanen, bewegingen in de vloeibare kern van de aarde en interactie tussen de kern en de mantel.

Het bepalen van de precieze impact van één element is geen sinecure, aldus astronoom en geofysicus Véronique Dehant. Dehant is werkt bij de Koninklijke Sterrenwacht van België, en is gespecialiseerd in de rotatie van de aarde en van Mars. 'Het kan best dat het smelten van de ijskappen de rotatiesnelheid van de aarde vertraagt. Dat valt ook op Mars waar te nemen. Mars heeft ijskappen die grotendeels bestaan uit bevroren koolstofdioxide. Deze poolkappen variëren naargelang de seizoenen, en dat veroorzaakt minieme schommelingen in de rotatiesnelheid van Mars, enkele tienden van een milliseconde.'

De atmosfeer heeft sowieso een invloed op de draaisnelheid van de aarde. Door frictie van winden, door de druk die ze zet op het aardoppervlakte, en door de aantrekking van de zwaartekracht die de massa van de atmosfeer uitoefent op de aardmassa. 'Specifieke klimatologische fenomenen zorgen voor minieme verschuivingen in de rotatiesnelheid van de aarde, door de frictie van winden en massaverplaatsingen in de oceaan. Denk maar aan El Niño, waarbij in de Stille Oceaan een sterke opwarming van normaal koel zeewater plaatsvindt. Let wel, het gaat slechts om erg kleine verschillen, nauwelijks een tiende van een milliseconde.'

Fossiel koraal als kalender

Het klimaat op aarde is nooit stabiel geweest. Gedurende de verschillende ijstijden bijvoorbeeld waren de polen, en grote delen ten zuiden ervan, bedekt met dikke ijskappen. Dat moet een invloed hebben gehad op de rotatiesnelheid van de aarde, verduidelijkt Dehant. 'Als de ijsmassa verandert, en dus de massaverdeling, zal dat een impact hebben op de draaisnelheid. We hebben echter geen gedetailleerde data over de aardrotatie uit die periode. Very-long-baseline interferometry (metingen op basis van gelijktijdige waarnemingen van objecten in de ruimte door meerdere telescopen) kwam pas op gang in de jaren zestig, wetenschappelijke astronomische observaties de laatste tweehonderd jaar. We kunnen nog verder teruggaan in de tijd door historische vermeldingen van eclipsen te analyseren, bijvoorbeeld door de Babyloniërs.'

Er bestaat echter wel een manier om verder in de tijd terug te kijken. Bepaalde koralen vertonen minuscule dagelijkse groeiringen, vergelijkbaar met de jaarringen van een boom. Die geven de groei van het koraal per dag weer, een aangroei gelinkt aan de hoeveelheid zonlicht Op basis van die 'dagringen' uit fossiel koraal is het mogelijk de lengte van dagen in het verleden af te leiden.

Uit die data blijkt een duidelijke afname van de rotatiesnelheid van de aarde sinds vele miljoenen jaren, en dus een toename van de lengte van de dag. 'In het Devoon bijvoorbeeld, zo'n tweehonderd miljoen jaar geleden, telde een jaar vierhonderd dagen van elk 22 uur lang. Er tekende zich over erg lange termijn een duidelijke vertraging van de aardrotatiesnelheid af,' aldus Dehant.

'De data uit koraal laten kleine variaties door veranderingen in het klimaat niet zien. De vertraging die zich al miljoenen jaren aftekent, is te wijten aan het getijdeneffect van de maan. De aantrekkingskracht van dat hemellichaam creëert een getijdenbobbel op aarde. Mocht de aarde perfect elastisch zijn, dan zou die bult mooi uitgelijnd zijn met de positie van de maan. Dat is echter niet het geval, de aarde is niet elastisch, en dus loopt die bult niet gelijk met de beweging van de maan. Dat zorgt voor frictie, voornamelijk in de oceanen, die de aarde afremt.'

Wiebelende aarde

Het smelten van de ijskappen beïnvloedt niet alleen de rotatiesnelheid van de aarde, het heeft ook een impact op de positie van de rotatieas zelf, zo beschrijft Benedikt Soja in zijn onderzoek. De as waar de aarde omheen draait valt niet mooi samen met de symmetrische aardas die door de polen loopt. De positie van de rotatieas ten opzichte van de polen varieert. Die zogenoemde polaire beweging vindt plaats binnen een oppervlakte van zo'n twintig vierkante meter. Dat komt onder andere door bewegingen in de kern van de aarde, of het periodiek smelten en weer aanvriezen van de Groenlandse ijskap.

'Zeker de afname van die ijskap heeft gevolgen voor de positie van de aardrotatie-as ten opzichte van de polen,' legt Soja uit. 'Die massieve ijskap ligt niet netjes op de Noordpool, maar een stuk zuidelijker. Antarctica ligt wel centraal om de aardas. Als er op Groenland grote massa's ijs ontdooien, verandert die balans tussen de twee polen, waardoor de as verschuift. Ook dit fenomeen valt momenteel al waar te nemen.'

Maakt het eigenlijk uit of de aarde enkele milliseconden trager draait? Voor tijdsmetingen alvast niet, want die gebeuren met bijzonder precieze atoomklokken. Wanneer de telling van atoomklokken afwijkt van de aardse dag, voegt men een extra seconde toe om beide tijdsschalen weer op elkaar af te stemmen. De laatste keer dat zo'n schrikkelseconde werd ingevoegd was in december 2016.

Maar voor astronomisch onderzoek, satelliettoepassingen en ruimtevaart is het wel degelijk van belang om de precieze rotatiesnelheid van de aarde te kennen, aldus Soja. 'Voor het positioneren van satellieten bijvoorbeeld, of observaties in de ruimte. Ook het lanceren van raketten, of het berekenen van trajecten van ruimtetuigen vraagt een dergelijke nauwkeurigheid. Een kleine afwijking op aarde kan grote gevolgen hebben diep in de ruimte.'