Wenn die Erde still stand

Modellierung der Abwesenheit von Zentrifugalkraft

Von Witold Fraczek, Esri

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Das Folgende ist kein futuristisches Szenario. Es ist keine Science-Fiction. Es ist eine Demonstration der Fähigkeiten von GIS, die Ergebnisse einer äußerst unwahrscheinlichen, aber intellektuell faszinierenden Frage zu modellieren: Was würde passieren, wenn sich die Erde nicht mehr dreht? ArcGIS wurde verwendet, um komplexe Rasteranalysen und volumetrische Berechnungen durchzuführen und Karten zu generieren, die diese Ergebnisse visualisieren.

Die Welt wie wir sie kennen. Die offensichtliche Abgrenzung von Land und Ozean wird durch die Kontur der Höhe 0 angezeigt.

Die längere Äquatorachse des Ellipsoids der Erde beträgt mehr als 21,4 km (oder 1/3 von 1 Prozent) länger als die Polarachse. Die Abflachung des auf dieser Karte gezeigten Ellipsoids wurde absichtlich übertrieben.

Das wichtigste Merkmal auf jeder Karte, das sogar a darstellt Ein Teil des Ozeans der Erde ist die räumliche Ausdehnung dieses Gewässers. Normalerweise schenken wir der Abgrenzung des Meeres nicht viel Aufmerksamkeit, da sie so offensichtlich und konstant erscheint, dass wir nicht erkennen, dass sie eine geografische Grundlage und die Grundlage für unsere Wahrnehmung der physischen Welt darstellt.

Die Linie zwischen Ozeanen und Kontinenten, die die räumliche Ausdehnung von Land und Wasser umreißt, ist die grundlegendste Kontur. Es ist keine Höhe, weil es den Meeresspiegel anzeigt. Warum ist der Meeresspiegel dort, wo wir ihn derzeit beobachten? Was steuert den Meeresspiegel? Wie stabil sind die Kräfte, die den Meeresspiegel bestimmen? Dieser Artikel bezieht sich nicht auf den Klimawandel und den möglichen Anstieg des Wasserspiegels im globalen Ozean, sondern auf die Geometrie des Globus und die starken geophysikalischen Energien, die bestimmen, wo die Ozeane liegen.

Meeresspiegel – und war es schon immer – im Gleichgewicht mit der Schwerkraft des Planeten, die das Wasser zum Erdmassenschwerpunkt zieht, und der nach außen gerichteten Zentrifugalkraft, die sich aus der Erdrotation ergibt. Nach einigen Milliarden Jahren Drehung hat die Erde die Form eines Ellipsoids angenommen (das als abgeflachte Kugel betrachtet werden kann). Folglich ist der Abstand zum Erdmassenschwerpunkt um den Äquator am längsten und jenseits der Polarkreise am kürzesten. Die aktuelle Differenz zwischen dem durchschnittlichen Meeresspiegel entlang des Äquators und der Entfernung zum Erdmassenschwerpunkt vom Meeresspiegel an den Polen beträgt etwa 21,4 Kilometer (km).

Die Schwerkraft der stillen Erde ist in den Polarregionen am stärksten (grün dargestellt). Sie liegt in den mittleren Breiten zwischen und in den mittleren am schwächsten Höhenlagen der Anden nahe dem Äquator.

Wenn die globale Rotation aufhört, würde die massive ozeanische Wassermigration Unterlass und Meeresspiegel würden sich an verschiedenen Orten befinden und die Weltgeographie vollständig verändern.

Was würde passieren, wenn sich die Erdrotation verlangsamen und sich über einen Zeitraum von einigen Jahrzehnten nicht mehr drehen würde? Mit ArcGIS können wir die Auswirkungen dieses Szenarios modellieren, Berechnungen und Schätzungen durchführen und eine Reihe von Karten erstellen, die die Auswirkungen des Fehlens der Zentrifugalkraft auf den Meeresspiegel zeigen.

Wenn sich die Erde nicht mehr um ihre Achse dreht, sondern weiter Wenn man sich um die Sonne und ihre Rotationsachse dreht, bleibt die Neigung gleich, die Länge eines Jahres würde gleich bleiben, aber ein Tag würde so lange dauern wie ein Jahr. In diesem fiktiven Szenario würde das sequentielle Verschwinden der Zentrifugalkraft eine katastrophale Änderung des Klimas und katastrophale geologische Anpassungen (ausgedrückt als verheerende Erdbeben) an den transformierenden äquipotentialen Gravitationszustand verursachen.

Das Fehlen des Zentrifugaleffekts würde die Folge sein in der Schwerkraft der Erde ist dies die einzige signifikante Kraft, die die Ausdehnung der Ozeane kontrolliert. Prominente Himmelskörper wie Mond und Sonne würden ebenfalls eine Rolle spielen, aber aufgrund ihrer Entfernung von der Erde wären ihre Auswirkungen auf die Ausdehnung der globalen Ozeane vernachlässigbar.

Wenn nur die Schwerkraft der Erde war verantwortlich für die Schaffung einer neuen Geographie, die riesige Ausbuchtung des ozeanischen Wassers – die jetzt am Äquator etwa 8 km hoch ist – würde dorthin wandern, wo die Schwerkraft einer stationären Erde am stärksten wäre. Diese Ausbuchtung wird auf den Zentrifugaleffekt der Erddrehung mit einer linearen Geschwindigkeit von 1.667 km / h am Äquator zurückgeführt. Die vorhandene äquatoriale Wasserwölbung bläst auch die Ellipsoidform des Globus selbst auf.

Das Ausmaß eines hypothetischen nördlichen zirkumpolaren Ozeans über dem Territorium Nordamerikas wird angezeigt. Die orange Farbe zeigt Gebiete mit einer Höhe von mehr als 3.000 Metern über dem Niveau des Nordozeans an.Rote Punkte repräsentieren einige der größten Städte des Kontinents.

Die Ausbuchtung definiert die endgültige Form des Globus, indem der einheitliche Meeresspiegel im Gravitationsgleichgewicht festgelegt wird, der als Standardreferenz für verwendet wird Beschreibung der Form der Erde. Es ist die Geometrie dieser Form, die Geodäten seit mehr als einem Jahrhundert zu berechnen versuchten. Ihre Bemühungen wurden durch die Akzeptanz des Ellipsoids als World Geodetic System 1984 (WGS84) durch die internationale Gemeinschaft in Washington, DC, im Jahr 1984 abgeschlossen. Das Ellipsoid WGS84 nähert sich der Form der Erde genauer an als viele andere Ellipsoide, die zuvor waren vorgeschlagen.

Wenn die Erde stillstehen würde, würden die Ozeane allmählich in Richtung der Pole wandern und Land in der Äquatorregion entstehen lassen. Dies würde schließlich zu einem riesigen äquatorialen Megakontinent und zwei großen polaren Ozeanen führen. Die Linie, die die Gebiete abgrenzt, die hydrologisch zum einen oder anderen Ozean beitragen, würde dem Äquator folgen, wenn die Erde ein perfektes Ellipsoid wäre. Aufgrund der signifikanten Entlastung sowohl der Kontinente als auch des Meeresbodens weicht die hypothetische globale Kluft zwischen den Gebieten, die hydrologisch zum einen oder anderen Ozean beitragen, erheblich vom Äquator ab. Analog zur bekannten US-Kontinentaldivision wäre dies die Grenze zwischen zwei riesigen halbkugelförmigen Wassereinzugsgebieten der neuen zirkumpolaren Ozeane. Interessanterweise wäre der höchste Punkt dieser globalen Kluft nicht die höchste Höhe auf dem gesamten Globus. Die höchste Erhebung der globalen Kluft in den kolumbianischen Anden würde etwa 12.280 Meter betragen, während die Höhen der berühmten äquatorialen Vulkane Chimborazo (Ecuador) und Kilimanjaro (Tansania) 13.615 bzw. 12.786 Meter betragen würden. Beide Vulkane befinden sich zufällig nicht auf der globalen Trennlinie. Der tiefste Punkt der neuen globalen Trennlinie mit einer Höhe von 2.760 Metern würde südwestlich der Insel Kiribati im westlichen Pazifik liegen.

Aufgrund des einzigartigen Reliefs der Erdoberfläche am Anfang Von der Verlangsamung würden die bedeutendsten Änderungen der Umrisse von Land gegenüber Wasser in den hohen Breiten der nördlichen Hemisphäre auftreten, wo sich der Wellenozean schnell über die flachen und weiten Gebiete Nordsibiriens und Nordkanadas ausdehnen würde. Änderungen der Kontinentalumrisse in niedrigen Breiten wären kaum wahrnehmbar, da (mit wenigen Ausnahmen) äquatoriale Gewässer tief sind und eine Abnahme des Wasserspiegels um einige Dutzend Meter nicht dazu führen würde, dass große Landflächen entstehen. Gegen Ende des Verlangsamungsperiode, in der sich die geografischen Hauptmerkmale von Ozeanen und Land bereits an die Ellipsoidform des Globus und die neue Verteilung der Schwerkraft angepasst hätten, würden relativ kleine Änderungen auftreten. Dies kann zugeschrieben werden Dies entspricht der ellipsoiden Form des Globus, die die Auswirkungen der Vielfalt des geografischen Reliefs der Erde überwältigt.

Heute sind alle drei Weltmeere miteinander verbunden. Dies schafft einen globalen Ozean mit im Grunde einem Meeresspiegel. Infolge der Verlangsamung der Rotation würde sich der Umriss des globalen Ozeans kontinuierlich dramatisch verändern. Äquatoriales Wasser würde sich in Richtung Polargebiete bewegen und anfänglich eine signifikante Verringerung der Tiefe verursachen, während die Polarbecken gefüllt werden, die eine viel geringere Kapazität haben. Wenn Regionen in hohen Breiten auf der Nordhalbkugel untergetaucht werden, würde sich die Flächenausdehnung des nördlichen zirkumpolaren Ozeans schnell ausdehnen und das weite Tiefland Sibiriens und die nördlichen Teile Nordamerikas abdecken. Der globale Ozean würde eine Einheit bleiben, bis die Rotation der Erde auf die Geschwindigkeit abnahm, mit der die Trennung der Ozeane stattfinden würde. Die Wechselwirkung zwischen der Trägheit riesiger Gewässer und der abnehmenden Zentrifugalkraft wäre sehr kompliziert. Infolge der stetigen Verlangsamung der Erdrotation würde der globale Ozean allmählich in zwei Ozeane aufgeteilt. Offensichtlich wird die letzte Verbindung am tiefsten Punkt der globalen Trennlinie südwestlich der Kiribati-Inseln unterbrochen Der derzeitige westliche Pazifik ist ein Flugzeug, Land würde schnell auftauchen, da es keine Chance geben würde, dass Wasser nach der anfänglichen Teilung zwischen den beiden zirkumpolaren Ozeanen ausgetauscht wird. Der Bereich der endgültigen Trennung zwischen den beiden Ozeanen wäre das gleichzeitige Auftauchen und Trocknen von Das Gebiet erstreckt sich über Hunderte von Kilometern.

Während die Schwerkraft mehr Wasser in Richtung Arktischer Ozean, das Tiefland, zieht von Sibirien und Nordkanada würde untergehen. Die entsprechende Bewegung des Wassers aus der Äquatorregion in Kombination mit den flachen Gewässern des Festlandsockels südöstlich von Asien und nördlich von Australien wird dazu führen, dass Land entsteht.

Ein sich vertiefender Arktischer Ozean würde zu einer weiteren Ausdehnung des Wassers über den nördlichen Ebenen Asiens, Europas und Nordamerikas führen. Grönland und die Antarktis würden trotz ihrer hohen Erhebungen erheblich kleiner werden. Neue Archipele tauchen aus der Südsee auf. Die Great American Lakes, die größten Süßwasserreservoirs der Welt, lösen sich im Ozean auf.

Die Verlangsamung würde sich nach der Trennung der beiden Ozeane fortsetzen und eine weitere Wanderung des Meerwassers in Richtung des Ozeans verursachen Stangen. Überraschenderweise hat das südliche Polarbecken (trotz der Höhe der Antarktis) eine größere Kapazität als das nördliche. Angesichts des festen Wasservolumens in beiden Hemisphären würde das größere Becken des Südpols insgesamt zu einem niedrigeren Meeresspiegel führen als das Nordozean. Laut einer mit der Erweiterung ArcGIS 3D Analyst durchgeführten Volumenberechnung sollte der Unterschied zwischen dem Meeresspiegel der beiden Ozeane 1.407 Meter betragen. Die Datengenauigkeit garantiert jedoch nicht diese Genauigkeit, sodass der Höhenunterschied zwischen dem Meer Das Niveau der beiden verwendeten Ozeane betrug 1.400 Meter.

Die in diesem Artikel abgebildete Kartenserie zeigt die intermittierenden Stadien während dieser Wanderung der Erdmeere und die Veränderungen der Landausdehnung, der topografischen Höhe und der verursachten bathymetrischen Tiefe durch die abnehmende Geschwindigkeit der Erdrotation. Diese Karten zeigen die Zwischenstufen der Übergangsgeographie von einer rotierenden zu einer stationären Welt. Sie zeigen die Auswirkungen von die allmähliche Verringerung der Zentrifugalkraft von ihrem gegenwärtigen Niveau auf keine, wobei die Schwerkraft die einzige Kraft bleibt, die die Ausdehnung des Ozeans steuert.

Die tatsächliche Verlangsamung der Erdrotation wurde beobachtet, gemessen, berechnet, und theoretisch erklärt. Wenn neuere Methoden entwickelt und präzisere Instrumente konstruiert werden, kann die genaue Verlangsamungsrate zwischen einigen Quellen variieren. Um diese sehr allmähliche Verlangsamung widerzuspiegeln, müssen Atomuhren durch gelegentliches Hinzufügen einer Schaltsekunde an die Sonnenzeit angepasst werden. Die erste Schaltsekunde wurde 1956 hinzugefügt.

Die gesamte Antarktis würde zu diesem Zeitpunkt unter Wasser sein. Das nordpolare Wasser und das Wasser über den riesigen, kürzlich untergetauchten Gebieten in Sibirien und Kanada würden tiefer werden. Gleichzeitig würden die äquatorialen Gewässer flacher.

Große Landflächen in der Nähe des Äquators wachsen weiter und verbinden sich miteinander. Mittlerweile sind fast ganz Kanada, Europa und Russland von einem nördlichen zirkumpolaren Ozean bedeckt.

Die meisten Wissenschaftler sind sich einig, dass der Sonnentag (bezogen auf die Rotationsgeschwindigkeit) kontinuierlich länger wird . Diese minimale Zunahme der Tageslänge ist hauptsächlich auf die Gezeitenreibung der Ozeane zurückzuführen. Als die geschätzte Verlangsamungsrate auf vergangene geologische Äonen zurückprojiziert wurde, zeigte sich, dass die Länge eines Tages mehrere Stunden kürzer war als heute.

Folglich während der Devon-Zeit (vor 400 Millionen Jahren) Die Erde drehte sich während einer Umdrehung um die Sonne etwa 40 Mal mehr als jetzt. Da sich die Kontinente seitdem erheblich verschoben haben, ist es schwierig, Schätzungen der Land- und Ozeanumrisse für diese Zeit vorzunehmen. Wir können jedoch sicher sein, dass – mit einer schnelleren Spinngeschwindigkeit in der Vergangenheit – die äquatoriale Ausbuchtung des ozeanischen Wassers damals viel größer war als heute. In ähnlicher Weise war auch die ellipsoide Abflachung der Erde signifikanter.

Diese Animation zeigt die intermittierenden Stadien während dieser Wanderung der Ozeane der Erde und Änderungen der Landausdehnung, der topografischen Höhe und der bathymetrischen Tiefe, die durch die abnehmende Geschwindigkeit der Erdrotation verursacht werden. Es zeigt die Auswirkungen der allmählichen Verringerung der Zentrifugalkraft von ihrem derzeitigen Niveau auf keine, wobei die Schwerkraft die einzige Kraft ist, die die Ausdehnung des Ozeans steuert.

Der Einfluss der Erdgeschwindigkeit Die Rotation hat einen dominanten Einfluss auf die Geometrie des Globus, sowohl in Bezug auf die Gesamtform des Globus als auch auf die Umrisse des globalen Ozeans. Das physische Relief der Erde ist nur ein sekundärer Faktor, der die Abgrenzung der Ozeane steuert. Die Verlangsamung der Erdrotation wird 4 Milliarden Jahre andauern – so lange wir uns vorstellen können. Die Verlangsamung verändert die Geometrie des Globus infinitesimal – aber stetig – und macht ihn dynamisch. Das Nettoergebnis dieser dynamischen Anpassungen ist, dass die Erde langsam mehr und mehr einer Kugel ähnelt. Es wird jedoch Milliarden von Jahren dauern, bis sich die Erde nicht mehr dreht und das Gravitationsäquipotential einen mittleren Meeresspiegel erzeugt, der eine perfekte Kugel darstellt.

Über den Autor

Witold Fraczek ist a langjähriger Mitarbeiter von Esri, der derzeit im Application Prototype Lab arbeitet.Er promovierte in der Anwendung von GIS in der Forstwirtschaft an der Agricultural University und machte seinen Master in Hydrologie an der Universität Warschau, Polen, und in Fernerkundung an der University of Wisconsin, Madison.