FOR 584 P4: GFZ

Massenbewegungen im Erdkern und Mantel und ihr Einfluss auf die Polbewegung

FOR 584 - Projekt 4

Laufzeit: 1.3.2009 - 29.2.2012

Der größte Anteil der dekadischen Variationen der Erdrotationsparameter (ERP) kann nicht durch Oberflächenprozesse, wie durch Drehimpulsaustausch zwischen dem festen Mantel und der Atmosphäre bzw. dem Ozean, erklärt werden. Daher müssen Prozesse im Erdinneren die Variationen der ERP auf der dekadischen Zeitskala verursachen. Zu diesen Prozessen gehören die Kern-Mantel-Kopplung, die gravitative Kopplung des Innenkerns mit dem Mantel sowie gekoppelte Oszillationen dieser Subsysteme (Innenkern, Außenkern und Mantel), welche Gegenstand dieser Untersuchung sind.

Der Einfluss der internen Prozesse auf die Erdrotation kann generell mit zwei verschiedenen Ansätzen beschrieben werden: Entweder wird die Drehimpulserhaltung für ein gekoppeltes System berücksichtigt oder es werden die Kopplungsdrehmomente zwischen den einzelnen Subsystemen bestimmt. Hier wird der zweite Ansatz verfolgt und es werden die Kopplungsdrehmomente zwischen der fluiden Außenkern und dem Erdmantel berechnet. Wir haben theoretische Beschreibungen für die elektromagnetischen (EM) und die topographischen (TOP) Kopplungsdrehmomente entwickelt, die an der Kern-Mantel-Grenze (KMG) wirken. Für weiterführende Informationen verweisen wir auf das Thema "Erdkerndynamik".

Es werden die Ergebnisse für verschiedene Kombinationen von Eingabemodellen mit den Beobachtungen der dekadischen Variationen der ERP (IERS C04) verglichen. Modellierte und beobachtete dekadische Variationen der ERP (Polbewegung in mas und Variation der LOD in ms). Die Farbkodierung der Zeitreihen entspricht den Angaben zu den Kombinationen der Eingabemodelle: T und S bezeichnen zwei Topographiemodelle der KMG, 1 und 4 zwei verschiedene Leitfähigkeitsprofile des Erdmantels (für weitere Information siehe: "Erdkerndynamik"). *(Dr. J. Hagedoorn)*

Als Anwendungsbeispiel dieser neuen theoretischen Beschreibung der EM und TOP Drehmomente wird ein gemeinsames Kopplungsmodell aufgestellt. Die Berechnungen basieren auf dem neuen Modell C3FM2 des geomagnetischen Feldes und weiteren Eingabemodellen, wie das der elektrischen Leitfähigkeit des Mantels und der Topographie der KMG. Die Zeitreihen der gemeinsamen Kopplungsdrehmomente können als äquivalente Anregungsfunktionen dargestellt werden, die dann mit denen der Oberflächenprozesse kombiniert und als Anregungen in den Euler-Liouville Gleichungen der Erdrotation berücksichtigt werden.

Die Untersuchung ist auf das Zeitintervall 1962 bis 2000 beschränkt. Maßgebend dafür war, dass die atmosphärischen (AAM) und ozeanischen (OAM) Anregungsfunktionen auf ERA-40 Reanalysen des ECMWF basieren, die für dieses Zeitintervall durchgeführt wurden. Wir verwenden eine Kombination der äquivalenten Anregungsfunktion der internen Prozesse mit den AAM und OAM Zeitreihen sowie weitere Informationen, um die Variationen der Polbewegung und der Tageslänge (LOD) für die dekadische Zeitskala zu modellieren.

Die modellierten und beobachteten Variationen der ERP haben in allen drei Komponenten die gleiche Größenordnung. Für die Kombinationen S/1 und S/4 der Eingabemodelle ist auch eine Ähnlichkeit im Zeitverhalten für die modellierten und beobachteten ∆LOD deutlich zu erkennen. Hingegen weisen die modellierten Polbewegungen nur eine schwache Korrelation mit den Beobachtungen auf. Die weiteren Arbeiten in diesem Projekt konzentrieren sich darauf, diese signifikanten Differenzen zu erklären, die mit bisher unberücksichtigten Prozessen im Erdinneren, wie der gravitativen Kopplung des Innenkerns mit dem Mantel, zusammenhängen.