Die Schwerkraft variiert auf der ganzen Welt. Hier ändert sich am meisten

Der Geschichte zufolge saß der Mathematiker Sir Isaac Newton nach dem Abendessen in einem Obstgarten, als er sah, wie ein Apfel von einem Baum fiel. Er fragte sich, warum Äpfel immer direkt auf den Boden fallen, statt seitwärts oder sogar nach oben. Später entwickelte er das Gesetz der universellen Gravitation.

Aber die Schwerkraft – diese unsichtbare Kraft, die Objekte zum Erdmittelpunkt zieht – ist auf dem Planeten nicht gleichmäßig, wie Daten zeigen.

Newton fand heraus, dass die Schwerkraft teilweise von der Masse abhängt; Objekte mit größerer Masse erfahren eine stärkere Anziehungskraft. Auf der Erde bedeutet das im Allgemeinen, dass die Stärke der Schwerkraft auf ein Objekt an verschiedenen Orten je nach innerer Struktur und Topographie der Erde stärker oder schwächer sein kann. Orte mit mehr Masse, wie zum Beispiel Berge, haben stärkere Gravitationskräfte. Orte mit geringerer Masse im Untergrund, wie Täler und tiefe Meeresgräben, haben schwächere Gravitationskräfte.

„Masse erzeugt Schwerkraft“, sagte John Ries, ein leitender Wissenschaftler an der University of Texas in Austin. „Wenn Sie eine Änderung der Schwerkraft sehen, sehen Sie eine Änderung der Masse.“

Sie können sich die Änderungen der Schwerkraft auch als Beschleunigung vorstellen. Im Durchschnitt beträgt die Beschleunigung eines auf die Erde fallenden Objekts aufgrund der Schwerkraft etwa 9,8 Meter pro Quadratsekunde. Aber an Orten mit mehr oder weniger Schwerkraft kann diese Beschleunigung etwas anders sein.

Ries sagte, Menschen seien nicht in der Lage, diese sehr geringfügigen Abweichungen zu bemerken, aber fortschrittliche wissenschaftliche Instrumente könnten die kleinen Anomalien messen. Er und seine Kollegen arbeiten mit einer NASA-Satellitenmission namens Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), die globale Schnappschüsse des Schwerefelds der Erde liefert. Wissenschaftler können diese Informationen nutzen, um Massenveränderungen in polaren Eis- und Wasserreservoirs zu verfolgen und zu verstehen, wie sich die Prozesse unter der Erdoberfläche auf die oberirdischen Prozesse auswirken.

Die größten Schwerkraftanomalien sind auf plattentektonische Bewegungen zurückzuführen, wenn große Platten zusammenstoßen oder sich voneinander lösen. Veränderungen des Wassergehalts auf der Erde, wie etwa eine Dürre oder anhaltende Regenfälle, können ebenfalls zu Veränderungen der Anziehungskraft führen, wenn auch in geringerem Maße.

„Das große Problem besteht darin, zu verstehen, wie die Ozeane, die Atmosphäre und die Landflächen interagieren“, sagte Byron Tapley, Geophysiker an der University of Texas in Austin. „Sie sind alle im Wesentlichen im Erdsystem miteinander verbunden und versuchen, diese Wechselwirkungen zu verstehen, wie das, was einem passiert, das andere beeinflusst.“

Hier variiert die Schwerkraft auf der Erde am stärksten.

Wir zeichnen die Erde oft als glatte Kugel, aber unser Planet ist klumpig und holprig, eine unregelmäßige Form, die Geoid genannt wird. Mithilfe satellitengestützter Daten können Wissenschaftler Anomalien der Schwerkraft auf der Erde untersuchen, indem sie den Unterschied zwischen der tatsächlichen Anziehungskraft auf diesem Planeten und einer hypothetischen gleichmäßig glatten Erde vergleichen.

Einige der stärksten Gravitationskräfte auf der Erde befinden sich aufgrund plattentektonischer Bewegungen im Pazifik in der Nähe von Australien und Indonesien.

Tatsächlich sind plattentektonische Bewegungen die treibende Kraft für fast alle Merkmale, die wir auf der Erdoberfläche sehen, von Bergen bis zu Gräben. Diese Plattenbewegungen werden durch Konvektion in unserem Erdmantel angetrieben, die Wärme aus dem Erdinneren an die Oberfläche transportiert.

„Die Reibung der Kruste, wenn der Mantel durch sie hindurchgeht, treibt [Platten] entweder zusammen oder treibt sie auseinander“, sagte Ries, der die Form, Rotation und Schwerkraft der Erde anhand von GRACE-Satellitendaten untersucht. Mithilfe von Schwerkraftkarten können Wissenschaftler diese Bewegungen unterhalb unserer Erdkruste entschlüsseln.

Ries erklärte, dass die Anomalie in dieser Region auf die Kollision zweier Platten zurückzuführen sei, bei der Meereskruste unter die Kontinentalplatte geschoben wurde. Die Ozeankruste, erklärte er, sei älter und dichter und sinke unter die leichtere Kontinentalplatte und bilde einen Graben. Gräben entlang der Pazifischen Platte treten entlang der Aleuten, Japan und Tonga auf, wo Daten schwächere Gravitationskräfte zeigen.

Wenn die Meereskruste untergetaucht ist, „schwitzt“ sie Wasser und der Druck steigt, was Magma nach oben treibt und dazu führt, dass sich die Kruste anhebt und Vulkane bildet. Durch das Massenwachstum erhöhte sich die Gravitationskraft entlang der Vulkankette. Auch andere Vulkanketten, etwa rund um Hawaii, weisen eine stärkere Schwerkraft auf.

Dieses plattentektonische Verhalten ähnelt dem, was wir auch in Bergen sehen. Bei Bergen können zwei Kontinentalplatten aufeinanderprallen und eine Hebung verursachen. Beispielsweise entstand der Himalaya, als zwei gleich dichte Kontinentalplatten zusammenliefen und sich nach oben schoben. Daten zeigen stärkere Gravitationskräfte auf dem tibetischen Himalaya-Plateau. Ries sagte, die Platten seien immer noch aktiv und der Mount Everest wachse immer noch langsam in die Höhe.

Nicht alle Gravitationsanomalien hängen mit dem Zusammenstoß der Kontinentalplatten zusammen. Veränderungen an der Oberfläche können sich auch auf die Schwerkraft auswirken.

Vor etwa 2,6 Millionen Jahren bedeckte der Laurentide-Eisschild weite Teile Kanadas und des Nordens der Vereinigten Staaten. Das Gewicht der massiven Eisdecke drückte das Land nach unten und erzeugte ein Tiefdruckgebiet. Daten zeigen, dass die Schwerkraft in der Region etwas schwächer ist.

Seitdem ist die Eisdecke vollständig geschmolzen und das Land erholt sich – allerdings sehr langsam. (Stellen Sie sich vor, Sie stecken Ihren Finger in den Teig und heben ihn dann an; der Teig nimmt schließlich wieder seine ursprüngliche Form an.) Ries sagte, dass das Land möglicherweise erst in weiteren 1.000 Jahren oder länger einebnen wird.

Eines der schwächsten Schwerkraftsignale der Erde erscheint auf einem 1,2 Quadratmillionen Meilen großen Meeresstück südlich der indischen Halbinsel. Doch das Phänomen gibt Wissenschaftlern schon lange Rätsel auf.

„Die Existenz des Schwerkraftlochs ist eines der größten Probleme auf dem Gebiet der Geodynamik“, sagte Debanjan Pal, ein Geologe am Indian Institute of Science. Da die Schwachstelle nicht mit einem Graben oder einer Eisschildvertiefung in Zusammenhang stand, blieb die Ursache der schwachen Gravitationskraft bis jetzt ein Rätsel.

In einer aktuellen Studie zeigten Pal und sein Kollege Attreyee Ghosh, dass die Anomalie mit Schwaden heißer Gesteine ​​geringer Dichte aus dem Erdmantel zusammenhängt, die vor etwa 20 Millionen Jahren an die Oberfläche gelangten.

Mithilfe von Computermodellen simulierten sie die tektonischen Bewegungen der Erdplatte von vor 140 Millionen Jahren bis heute. Sie fanden heraus, dass die Indische Platte begann, sich nach Norden zu bewegen, als der alte Superkontinent Gondwana auseinanderzubrechen begann. Als sich die Indische Platte bewegte, begann sich der angrenzende alte Tethys-Ozean zu schließen und sank in den Mantel, wodurch das dichtere Material über der Grenze unseres Kerns und unseres Mantels gestört wurde. Mantelwolken bildeten sich und brachten Material geringerer Dichte an die Oberfläche, was zur Bildung der Schwerkraft beitrug.

Die Forscher sagen, es sei schwer zu wissen, ob das Schwerkraftloch irgendwann verschwinden oder sich bewegen wird.

Während viele der größten Gravitationsanomalien auf antike und natürliche Prozesse zurückzuführen sind, beeinflusst der Mensch die Schwerkraft auch durch die Bewegung des Wassers.

Über die Jahreszeiten hinweg beobachten Forscher Veränderungen in Flüssen, Seen und anderen Gewässern, die auf natürliche Weise durch den Wasserkreislauf entstehen. Da sich unsere Atmosphäre jedoch aufgrund der Zunahme von Treibhausgasen erwärmt, hat dies Auswirkungen auf Wasserreservoirs und polare Eiskappen.

„Die Auswirkungen auf Grönland sind sehr groß“, sagte Tapley. „Es ist dort eine große Menge Masse abgeworfen worden, und mit dieser Veränderung ist ein spürbares Gravitationssignal verbunden.“

Tapley sagte, dass die Eisschmelze über der Oberfläche das wasserinduzierte Schwerkraftsignal über dem Land verringert und der anschließende Abfluss das Schwerkraftsignal im Ozean verstärkt.

Aber die Schmelze bedeutet nicht, dass das Signal über Grönland insgesamt schwächer ist. Wenn das Gewicht des Wassers abnimmt, passen sich die tektonischen Platten an und lassen Material aus dem Erdmantel eindringen, was zu Massezunahme führt, sagte Tapley. Darüber hinaus erholt sich Grönland immer noch von der letzten Eiszeit (ähnlich wie der Prozess beim Laurentide-Eisschild, jedoch in einem kürzeren Zeitrahmen).

Außerhalb der polaren Eiskappen können auch Grundwasserpumpen und Dürren Wasser von der Oberfläche entfernen und kleine Änderungen der Schwerkraft verursachen. Diese Abweichungen sind viel geringer als diejenigen, die durch unterirdische Magmawolken oder plattentektonische Bewegungen hervorgerufen werden, ändern sich jedoch auf kürzeren Zeitskalen viel schneller – und werden erhebliche Auswirkungen auf die Menschen haben, da die globalen Temperaturen weiter steigen. Diese Messungen sind für Wissenschaftler von entscheidender Bedeutung, um die Wasserversorgung für den allgemeinen Verbrauch, die Landwirtschaft, unterirdische Grundwasserleiter und mehr zu verfolgen.

„Die ganze Sache, die wir betrachten, ist der Wasserkreislauf und Veränderungen im Wasserkreislauf“, sagte Tapley.