De wetenschapsredactie zoekt deze zomer antwoord op vragen van lezers. Vandaag: waarom draait de aarde nog? En: heeft de mensheid invloed op het tollen van de planeet?
Wie weleens met een tol heeft gespeeld, weet het. Hoe hard of technisch volmaakt je de eerste zwiep ook geeft, uiteindelijk begint onherroepelijk het gewiebel en valt-ie op z’n kant. Dat een tol stopt met draaien, is zo onvermijdelijk als de dood, de overgang van zomer naar herfst, of het doen van de jaarlijkse belastingaangifte.
Maar dan de aarde: al zo’n 4,5 miljard jaar, sinds onze thuisplaneet samenklonterde uit de kosmische oerwolk waaruit eerder ook de zon ontstond, draait de aarde om haar as. Dat is overigens maar goed ook: het getol van de aarde is de oorzaak dat dag en nacht elkaar afwisselen en dat de temperatuur en luchtvochtigheid variëren, en is een van de drijvende krachten achter de veranderlijkheid van het weer. Om maar eens wat te noemen.
Over de auteur
George van Hal is wetenschapsredacteur van de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart. Dit verhaal kun je ook beluisteren in onze wetenschapspodcast Ondertussen in de kosmos.
‘Ik zou graag willen weten waarom de aarde nog steeds draait’, vroeg onder meer lezer Wil Savenije zich af. Het lijkt immers wel alsof de aarde haar eigen deadline schaamteloos weet uit te stellen. Moet het tijdperk van de wiebelende tol, de prelude voor de val, nu niet eens beginnen?
Want, zo merkt Savenije op: de aarde heeft zo’n grote massa, het moet toch wel veel energie kosten om die in beweging te houden. ‘Of is de aarde bij haar ontstaan in beweging gezet en verliest zij nu langzaam maar zeker haar energie en omwentelingssnelheid?’, voegt hij nog toe, in een toelichting op zijn vraag. Precies zoals die tol, dus.
Met die vraag kloppen we eerst aan bij Simon Portegies Zwart, astronoom aan de Universiteit Leiden. Zijn antwoord is kort en helder. Waarom de aarde nog draait? ‘Door behoud van impulsmoment’, zegt hij, verwijzend naar een begrip dat bij sommige lezers wellicht nog is blijven hangen van de natuurkundelessen op de middelbare school.
De wetten van behoud van impuls en behoud van impulsmoment – twee varianten van hetzelfde idee, de ene bij ‘gewone’ beweging, de andere wanneer iets draait – stellen dat een voorwerp blijft bewegen, of draaien dus, tenzij iets anders dat tegenhoudt.
Dat ligt intuïtief zeker niet voor de hand, zegt ook Duncan Agnew, als geofysicus verbonden aan de Universiteit van Colorado en auteur van een artikel waarin hij vorig jaar liet zien dat menselijke klimaatverandering invloed heeft op de draaiing van de aarde – waarover later meer.
‘Het antwoord op de vraag ‘waarom blijft een gegooide speer bewegen nadat deze mijn hand heeft verlaten’ was vanaf de oude Grieken tot aan de Renaissance: omdat er iets is dat de speer blijft duwen’, zegt hij. ‘Dat voelt intuïtief logisch, omdat dingen nu eenmaal stoppen wanneer we ze niet langer duwen. We hadden grote denkers als Galileo, Newton en anderen nodig om voorbij die intuïtie te stappen’, zegt hij.
De werkelijkheid blijkt namelijk een omkering van wat de intuïtie veronderstelt. Een speer blijft niet vliegen doordat iets ertegen duwt, maar stopt juist doordat iets haar afremt. Dat ‘iets’ is in het geval van de speer een combinatie van de wrijving door de lucht en het gesjor van de aardse zwaartekracht. Gooi een speer in het vacuüm van de ruimte en hij blijft wel eeuwig voortbewegen. Althans: totdat de speer ergens op botst of verstrikt raakt in het zwaartekrachtsveld van een ander voorwerp.
‘Net zoiets gaat op voor draaiing. Als er niets is om die draaiing te stoppen, gaat ze eeuwig door’, zegt Agnew. ‘Dat is wat we in de natuurkunde het behoud van impulsmoment noemen’, spiegelt hij de eerdere woorden van Portegies Zwart.
Maar als impulsmoment behouden blijft, wat is daarvan dan de oorspronkelijke bron? Wat was de ‘zet’ of ‘zwiep’ die de aarde aan het tollen kreeg? Voor een antwoord daarop moeten we terug naar de wolk stof en gas waaruit eerst de zon en vervolgens de planeten in het zonnestelsel samenklonterden, zegt Portegies Zwart.
‘Zelfs als die oorspronkelijke wolk niet zou roteren, is het heel onwaarschijnlijk dat de totale hoeveelheid impulsmoment ervan precies nul is. En: wanneer je een eindige hoeveelheid impulsmoment hebt, en je gaat dat concentreren in een steeds kleiner balletje, dan gaat dat balletje ook steeds sneller om zijn as draaien.’ Vergelijk het met een schaatser die pirouettes draait op het ijs, zegt hij: ‘Als die haar armen intrekt, gaat zij ook steeds sneller draaien.’
Bovendien speelt er nog een tweede effect. ‘Zo’n schijf draait niet overal even snel: de binnen- en buitenkant hebben verschillende snelheden’, zegt Portegies Zwart. ‘Denk maar aan van die platte draaischijven in de speeltuin – ik heb er eentje tegenover mijn huis. Kinderen kunnen daar aan de buitenkant maar moeilijk op blijven staan, terwijl dat in het midden gemakkelijk is. Dat verschil in draaisnelheid leidt ertoe dat als uit zo’n schijf klontjes ontstaan, deze ook meer draaiing krijgen. Dat is dan overigens weer te vergelijken met hoe water roterend in een doucheputje verdwijnt’, zegt hij, en schiet in de lach. ‘Maar dit is het punt waarop al mijn metaforen de boel misschien beginnen te vertroebelen in plaats van te verhelderen.’
Naast het prille samenklonteren heeft de planeet gedurende haar kosmische geschiedenis bovendien wel vaker een zet gekregen. ‘Wanneer planetoïden op aarde botsten bijvoorbeeld’, zegt Portegies Zwart.
En er zijn nog meer manieren waarop de draaisnelheid van de aarde kan versnellen of juist afremmen. ‘Denk aan het samenspel van de zwaartekracht tussen de aarde, maan en zon. Dat is echt een heel complex systeem. Ik ben blij dat ik normaliter gewoon aan zwarte gaten werk’, grapt hij.
Zelfs de mens kan invloed hebben op de draaisnelheid van de aarde, zo tekende Agnew eerder dit jaar op in vakblad Nature. ‘De opwarming van de aarde heeft er sinds 1990 toe geleid dat de planeet ietsje langzamer is gaan draaien’, zegt hij.
Doordat door klimaatverandering de poolgebieden opwarmen, neemt de hoeveelheid zee-ijs af, smelt de ijskap op Groenland en slinken de gletsjers op Alaska. Het water dat daarbij vrijkomt, spreidt zich vervolgens uit over de gehele oceaan. Door de draaiing van de aarde stulpt dat water vervolgens een beetje uit rond de evenaar.
‘Het gevolg is dat het traagheidsmoment van de aarde toeneemt en de aarde daardoor afremt in zijn draaiing’, zegt hij. De beste vergelijking is opnieuw die schaatser: de uitstulping van het water is vergelijkbaar met haar uitgestoken handen. De schaatser zal daardoor, net als de aarde, wat trager gaan tollen.
En niet alleen klimaatverandering, ook menselijke bouwwerken kunnen invloed hebben op de draaisnelheid van de aarde. ‘Mijn favoriete voorbeeld is een heel grote dam in China, die invloed heeft op de aardrotatie’, zegt Portegies Zwart. Die zogeheten Drieklovendam verplaatst zoveel water dat de planeet er een beetje ronder van wordt, en platter aan de polen, min of meer hetzelfde soort effect als de opwarming van de aarde heeft. Eerder berekende de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa al eens dat de aarde door die dam zo’n 0,06 milliseconden trager draait. ‘Technisch gesproken beïnvloeden zelfs jij en ik de rotatie van de aarde, maar dan wel maar een héél klein beetje.’
Overigens is de draaisnelheid van de aarde niet constant. Waar je zou denken dat één rondje om de aardas per definitie 24 uur moet duren, wijkt de weerbarstige kosmische praktijk iets af. De oorzaken zijn voornamelijk natuurlijk, niet menselijk: het stromen van de oceanen, veranderingen in windpatronen, zelfs de bewegingen van de aardkern oefenen invloed uit op hoe snel de planeet op dat moment om haar as draait.
Dat is de reden dat tijdbeheerders, die de tijd op heel nauwkeurige atoomklokken willen ijken aan de ‘astronomische tijd’, de tijd op basis van het daadwerkelijke draaien van de aarde, soms aan het eind van het jaar een zogeheten schrikkelseconde moeten toevoegen. Of – binnenkort misschien voor het eerst – een ‘negatieve schrikkelseconde’ van de klok moeten aftrekken. Het is de enige manier om te voorkomen dat beide klokken te veel uit elkaar gaan lopen.
Tot zover het ‘nu’. Hoe zit het eigenlijk in de verre kosmische toekomst? Komt er ooit een punt dat de aarde zal stilvallen?
‘Op heel lange tijdschalen is het moeilijk te voorspellen wat er precies gaat gebeuren’, zegt Portegies Zwart. ‘Bovendien is de vraag een tikje zinloos: over 4,5 miljard jaar verzwelgt de zon de aarde, en tegen die tijd is de planeet echt nog niet stilgevallen.’
Maar toch: stel nu eens dat de zon de aarde niet opslokt. Wat dan? Misschien levert die hypothetische vraag wel een onverwacht wetenschappelijk inzicht op.
‘Dan raken we de maan bijvoorbeeld langzaam kwijt’, zegt hij. ‘Dat proces is nu al bezig: de maan beweegt steeds iets verder weg van de aarde. Als de maan helemaal loskomt van de aarde, blijft hij achter in dezelfde baan om de zon. Daardoor zouden we de maan dan uiteindelijk, ergens aan de andere kant van de zon, weer ontmoeten. Dat levert dan een botsing op’, zegt Portegies Zwart. Overleeft de aarde dat – en dat is wel het meest waarschijnlijk – dan gaat deze door die botsing ongetwijfeld weer sneller draaien. ‘Zelfs in volledig hypothetische scenario’s is het dus niet waarschijnlijk dat er ooit een moment komt dat de planeet compleet stilvalt.’
Liever kijken wetenschappers, als het om de draaiing van de aarde gaat, daarom naar het verleden. Mogelijk kunnen ze uit de draaisnelheid bijvoorbeeld afleiden hoe de aarde ooit is gevormd. ‘Ontstond de aarde uit een bombardement van planetoïden – pebble accretion, noemen we dat – of was het toch vooral een samenballing van gas en stof? In het laatste geval krijg je aan het begin minder rotatiesnelheid mee dan in het eerste’, zegt Portegies Zwart. ‘Al dat gespeculeer over het draaien van de aarde klinkt in eerste instantie een beetje als hypothetische onzin, maar wie snapt hoe en waarom deze planeet draait, snapt waarschijnlijk ook de oorsprong van de aarde.’
Lezers van de Volkskrant verbazen zich niet alleen over het draaien van onze thuisplaneet, maar ook over de zwaartekracht die ons normaliter met beide voeten op het aardoppervlak houdt. Want wat gebeurt er als we die zwaartekracht (tijdelijk) uitzetten?
Let wel: dat is volkomen hypothetisch. Er is geen enkele aanwijzing dat de zwaartekracht ooit zal, of zelfs kán, ophouden met werken.
Astrofysicus Simon Portegies Zwart toont zich bij uitzondering bereid tot wat frivole natuurkundige speculaties, maar heeft meteen ook een vraag. Weigert de zwaartekracht alléén op de aarde dienst, of schrappen we de gehele kracht uit het wetboek der natuurkunde?
Laten we beginnen bij de aarde. Zonder zwaartekracht begint daar alles te zweven. Dat geldt niet alleen voor voorwerpen, maar ook voor het water in de oceanen, en zelfs voor de lucht. ‘De lucht wordt steeds ijler’, zegt Portegies Zwart. Op termijn is niet alleen die lucht verdwenen, maar ook het laatste beetje water weggekookt, doordat het kookpunt van water in bijna-vacuüm een stuk lager kwam te liggen.
De planeet draait intussen door. Dat betekent dat alles een flinke zwiep mee krijgt. De lucht begint als een krachtige wind over het aardoppervlak te razen, sterker dan een orkaan, en verpulvert bomen, huizen en mensen.
Op termijn gaat de aarde er zelfs geheel aan. ‘Niet dat de aarde explodeert of plots de vorm van een aardappel aanneemt’, zegt Portegies Zwart. Maar op den duur begint de planeet zonder de naar binnen gerichte druk van de zwaartekracht simpelweg uit elkaar te vallen.
Het uitschakelen van de zwaartekracht op kosmische schaal verloopt minstens zo catastrofaal. ‘Zonder zwaartekracht zet de zon enorm uit’, zegt Portegies Zwart. Verderop in de kosmos sneuvelen bovendien neutronensterren en zelfs zwarte gaten in een kakofonie van krachtige explosies.
Bovendien verdwijnt alle orde in het heelal. ‘Op dit moment draait zo’n beetje alles in de kosmos om iets anders, iets zwaarders’, zegt Portegies Zwart. De maan draait om de aarde, de aarde draait om de zon, de zon draait om het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg, et cetera. Haal de zwaartekracht weg en het is alsof je de touwtjes van een marionet doorknipt: alles begint op chaotische wijze door elkaar te bewegen.
‘Het is moeilijk om je precies in te beelden hoe dat eindigt. Om heel eerlijk te zijn: ik heb geen flauw idee.’
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant