Der Drei-Schluchten-Damm und die Erdrotation

Der Wettstreit von Ingenieurinnen und Ingenieuren um immer grössere Bauwerke hat bei einem chinesischen Megaprojekt eine unerwartete Frage über den gesamten Planeten aufgeworfen.

Mitten in China sorgt ein Staudamm, der ganze Täler umgestaltet hat, auch unter Forschenden für Diskussionen: Kann die Bündelung einer so gewaltigen Wassermenge an einem Ort die Drehgeschwindigkeit der Erde geringfügig verändern?

Der Drei-Schluchten-Damm: aussergewöhnliche Ingenieurskunst

Im Mittelpunkt der Debatte steht der Drei-Schluchten-Damm am Jangtsekiang in der chinesischen Provinz Hubei. Der Bau begann in den 1990er-Jahren; nach knapp 18 Jahren Bauzeit wurde die Anlage zwischen 2003 und 2012 schrittweise in Betrieb genommen.

Gemessen an der installierten Leistung ist er das grösste Wasserkraftwerk der Erde. Hinter seiner Betonmauer erstreckt sich ein riesiger Stausee über Hunderte Kilometer durch ein Gebiet, das früher aus Tälern, Städten und landwirtschaftlichen Flächen bestand.

Der Damm erfüllt zugleich mehrere politische und wirtschaftliche Ziele. Nach Angaben des französischen CNES, des Nationalen Zentrums für Weltraumstudien, sollte das Projekt Chinas technologische Stärke demonstrieren, einen der hochwassergefährdetsten Flüsse Asiens kontrollieren und die Entwicklung ins Landesinnere verlagern – weg von der bereits stark wachsenden Küste.

Auf dem Papier ist die Anlage ein Kraftpaket. China ist weltweit führend bei der Wasserkraft, sowohl bei der installierten Kapazität als auch bei der Stromerzeugung. Trotz seiner Dimensionen deckt der Drei-Schluchten-Damm allerdings nur etwa 3 % des chinesischen Strombedarfs – deutlich weniger als die anfangs teils genannten 10 %.

Vom regionalen Staudamm zur Frage für den Planeten

Heute hebt sich das Projekt nicht nur wegen seiner regionalen Folgen ab, sondern auch durch einen planetaren Nebeneffekt, der wie Science-Fiction klingt: eine winzige Veränderung der Erdrotation.

Nicht der Beton selbst löst dabei etwas Geheimnisvolles aus, sondern das Wasser. Ist der Drei-Schluchten-Stausee vollständig gefüllt, enthält er rund 40 Kubikkilometer Wasser, also ungefähr 40 Milliarden Kubikmeter. Diese beträchtliche Masse wird leicht über den Meeresspiegel angehoben und in einer einzigen Region konzentriert.

Wenn grosse Massen auf dem Planeten verlagert werden, verändert sich seine Drehung geringfügig – ähnlich wie bei einer Pirouette, bei der sich die Geschwindigkeit durch die Armhaltung ändert.

Den Zusammenhang zwischen Massenverschiebungen und Rotation machte eine 2005 veröffentlichte NASA-Studie deutlich. Sie untersuchte die Folgen des verheerenden Sumatra-Andamanen-Erdbebens und Tsunamis von 2004. Bei diesem Beben, einem der stärksten jemals aufgezeichneten, wurden gewaltige Gesteinsplatten und Mengen an Meerwasser verschoben.

Was die NASA tatsächlich ermittelte

Forschende des Goddard Space Flight Center der NASA, darunter der Geophysiker Dr. Benjamin Fong Chao, nutzten Modelle, um abzuschätzen, wie das seismische Ereignis Form und Rotation des Planeten veränderte. Ihren Berechnungen zufolge verkürzte das Erdbeben von 2004 die Tageslänge um etwa 2,68 Mikrosekunden.

Eine Mikrosekunde entspricht einer Millionstel Sekunde. Im Alltag bemerkte niemand diese Änderung; sie liess sich ausschliesslich mit präzisen Messinstrumenten erfassen. Dennoch zeigt das Ergebnis, dass die Erdrotation nicht unveränderlich ist: Sie reagiert, wenn auch nur schwach, auf grosse Massenverlagerungen.

„Jedes globale Ereignis, bei dem Masse bewegt wird, beeinflusst die Rotation der Erde – von saisonalem Wetter bis zum Autofahren“, erklärte Benjamin Fong Chao von der NASA damals.

Auf Grundlage dieses Verständnisses wandten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dieselben physikalischen Prinzipien auf eine andere Form der Massenverschiebung an: die Füllung des Drei-Schluchten-Stausees.

Wie stark könnte der Drei-Schluchten-Damm die Erdrotation verlangsamen?

Bei voller Auslastung verändert das Gewicht des gespeicherten Wassers die Verteilung der Masse im Verhältnis zur Erdachse. Wie bei einer Eiskunstläuferin, die ihre Arme ausstreckt, verlangsamt sich die Drehung tendenziell und der Tag wird länger, wenn mehr Masse weiter von der Achse entfernt liegt.

Die Analyse der NASA weist darauf hin, dass der vollständig gefüllte Drei-Schluchten-Stausee:

• die Tageslänge um etwa 0.06 Mikrosekunden erhöhen würde;
• die Erde am Äquator geringfügig runder machen würde;
• die Pole äusserst leicht abflachen würde.

Diese 0.06 Mikrosekunden entsprechen 0.00000006 Sekunden. Physikalisch ist die Veränderung real, doch sie ist so klein, dass sie weder menschliche Aktivitäten noch Klima oder Technik beeinflusst. Atomuhren können sie messen, Menschen können sie nicht wahrnehmen.

Aus planetarer Sicht gleicht der Einfluss des Damms eher einem Flüstern als einem Schubs. Dennoch ist er ein eindrucksvolles Beispiel dafür, dass physikalische Vorgänge im Massstab eines Planeten selbst auf menschengemachte Infrastruktur zutreffen.

Der Klimawandel beeinflusst die Erdrotation bereits

Der Damm ist nur ein Teil eines deutlich grösseren Gesamtbildes. NASA und andere Behörden weisen darauf hin, dass auch der Klimawandel über eine ähnliche Umverteilung von Masse die Erdrotation verändert.

Wenn Eisschilde und Gletscher schmelzen, fliesst ihr Wasser in die Ozeane. Dadurch verlagert sich Masse aus hohen Breiten und Höhenlagen in niedrigere, äquatornähere Regionen. Auch saisonale Änderungen der Schneedecke, veränderte Niederschlagsmuster und die Entnahme von Grundwasser spielen eine Rolle.

Menschliche Aktivitäten ordnen die Verteilung von Wasser, Eis und Gestein auf dem Planeten langsam neu – und das hat messbare, wenn auch winzige Auswirkungen darauf, wie sich die Erde dreht.

In diesem Zusammenhang steht der Drei-Schluchten-Damm sichtbar für einen umfassenderen menschlichen Einfluss auf die Dynamik des Planeten. Die kumulierte Wirkung aller Staudämme, der Grundwasserentnahme und des schmelzenden Eises ist grösser als die jedes einzelnen Stausees.

Welche weiteren Ereignisse können die Tageslänge verändern?

Mehrere Prozesse können die Rotation um Mikrosekunden oder Millisekunden beschleunigen beziehungsweise abbremsen. Forschende überwachen sie fortlaufend mithilfe von Satellitendaten und weltweiten Netzen von Beobachtungsstationen.

Prozess	Auswirkung auf die Rotation
Grosse Erdbeben	Können die Tageslänge leicht verändern und die Achse um Zentimeter verschieben
Gletscherschmelze	Verändert die Rotation über Jahrzehnte hinweg schrittweise, da Wasser in die Ozeane gelangt
Saisonale Winde und Meeresströmungen	Verursachen kleine, kurzfristige Schwankungen der Tageslänge
Grosse Stauseen und Dämme	Führen beim Füllen zu sehr kleinen, langfristigen Veränderungen

Warum Mikrosekunden für Wissenschaftler wichtig sind

Für den Tagesablauf sind diese Verschiebungen ohne Bedeutung, für hochpräzise Systeme hingegen nicht. Moderne Navigation, Satellitenbetrieb und die weltweite Zeitmessung beruhen sämtlich auf extrem genauen Messungen der Erdrotation.

Weicht die Drehung des Planeten von Atomuhren ab, fügen internationale Zeitwächter der Koordinierten Weltzeit (UTC) gelegentlich eine „Schaltsekunde“ hinzu. Das Wissen darüber, wie Massenbewegungen die Rotation beeinflussen, hilft dabei, solche Anpassungen zu verfeinern und langfristige Vorhersagen zu verbessern.

Veränderungen der Rotation und der Erdform beeinflussen zudem die Umlaufbahnen von Satelliten und deren Gravitationsmessungen. Weltraumbehörden nutzen diese Erkenntnisse, um Messungen des Meeresspiegelanstiegs, des Eisverlusts und sogar der Struktur des tiefen Erdinneren zu kalibrieren.

Wie sich eine so winzige Änderung vorstellen lässt

Werte wie 0.06 Mikrosekunden sind schwer greifbar. Eine Betrachtungsweise lautet: Bliebe der Effekt des Drei-Schluchten-Damms über 1 Million Jahre konstant, würde sich ein Tag um knapp vier Minuten verlängern. Tatsächlich würden jedoch andere Prozesse lange zuvor den grösseren Einfluss ausüben.

Eine Alltagsanalogie erleichtert das Verständnis. Man denke an einen drehbaren Bürostuhl: Zieht man die Arme an den Körper, dreht man sich schneller; streckt man sie aus, wird die Drehung langsamer. Nun stelle man sich vor, nicht nur Arme, sondern Ozeane, Eisschilde und Gebirgszüge zu verlagern. Das Prinzip bleibt exakt gleich, spielt sich aber in einem ungleich grösseren und langsameren Massstab ab.

Weiterreichende Risiken und Folgen von Megadämmen

Der Effekt auf die Rotation mag Physiker faszinieren, doch der Drei-Schluchten-Damm hat in seiner unmittelbaren Umgebung weitaus gravierendere Konsequenzen. Mehr als eine Million Menschen wurden durch die Füllung des Stausees umgesiedelt. Archäologische Stätten und Ökosysteme verschwanden unter Wasser. Sedimente, die früher ungehindert flussabwärts transportiert wurden, lagern sich nun hinter dem Damm ab oder setzen sich weiter unten im Fluss in veränderten Mustern ab.

Ingenieurinnen, Ingenieure sowie Umweltwissenschaftlerinnen und Umweltwissenschaftler beobachten ausserdem, ob solche grossen Stauseen durch zusätzliches Gewicht auf der Erdkruste und durchfeuchtete Hänge lokale seismische Aktivitäten oder Erdrutsche auslösen können. Diese Bedenken haben die Debatte darüber verstärkt, wo und auf welche Weise neue Megadämme errichtet werden sollten.

Wasserkraft bleibt eine wichtige kohlenstoffarme Energiequelle, und viele Staaten betrachten Dämme als Teil ihrer Klimastrategie. Das Gleichgewicht zwischen Energiebedarf, ökologischen Folgen und sozialen Umwälzungen ist zu einer der zentralen Fragen künftiger Projekte geworden.

Schlüsselbegriffe der Debatte

Einige Konzepte helfen, die gesamte Geschichte einzuordnen:

• Trägheitsmoment: ein Mass dafür, wie Masse um eine Drehachse verteilt ist. Je mehr Masse weit von der Achse entfernt liegt, desto schwieriger ist eine schnelle Drehung.
• Erhaltung des Drehimpulses: ein physikalisches Prinzip, nach dem der gesamte „Drehimpuls“ eines Systems ohne äussere Drehmomente konstant bleibt. Veränderungen von Geschwindigkeit und Form stehen dabei in einem Wechselverhältnis.
• Isostasie: die langsame Anpassung der Erdkruste, wenn Gewicht hinzukommt – etwa Wasser in einem Stausee – oder wegfällt, beispielsweise durch schmelzendes Eis.

Wenn Forschende davon sprechen, dass der Drei-Schluchten-Damm die Erdrotation verlangsamt, beschreiben sie letztlich eine elegante und messbare Folge dieser Prinzipien. Für das Leben an der Oberfläche ist der Effekt winzig, doch er verweist auf eine weiterreichende Realität: Menschliche Bauprojekte, der Klimawandel und Naturkatastrophen gehören inzwischen alle zu derselben Geschichte im planetaren Massstab.