Naukowcy wykorzystali dane zebrane przez ponad 120 lat, aby rozszyfrować, w jaki sposób topniejący lód, kurczenie się wód gruntowych i podnoszący się poziom morza wpływają na oś obrotu planety i wydłużają dni.
Ostatnie badania pokazują, że dni na Ziemi się wydłużają, a tendencja ta przyspiesza ze względu na zmiany klimatyczne, takie jak topnienie lodowców i wyczerpywanie się warstw wodonośnych. Te zmiany w rozkładzie masy nie tylko przesuwają oś planety, ale także spowalniają jej obrót. Badania z wykorzystaniem zaawansowanych technik pomiarowych i obejmujące ostatnie stulecie szczegółowo wyszczególniają, w jaki sposób zmiany wywołane przez człowieka zaostrzają te zjawiska naturalne, co może mieć potencjalny długoterminowy wpływ na pomiar czasu i technologię opierającą się na precyzyjnym pomiarze czasu.
Wydłużenie dni z powodu zmian klimatycznych
Dni na Ziemi nieco się wydłużają, a zmiany te nabierają coraz większego tempa. Przyczyna wiąże się z tymi samymi mechanizmami, które również spowodowały załamanie się osi planety o około 30 stóp (10 metrów) w ciągu ostatnich 120 lat. Wyniki pochodzą z dwóch ostatnich NASAfinansowane przez naukowców badania skupiały się na wpływie związanej z klimatem redystrybucji lodu i wody na rotację Ziemi.
Ta redystrybucja ma miejsce, gdy pokrywy lodowe i lodowce topnieją bardziej, niż wyrastają w wyniku opadów śniegu, oraz gdy warstwy wodonośne tracą więcej wody gruntowej niż uzupełniają opady. Wynikające z tego przesunięcia masy powodują, że planeta kołysze się podczas obrotu, a jej oś zmienia położenie – jest to zjawisko zwane ruchem polarnym. Powodują także spowolnienie obrotu Ziemi, mierzone wydłużeniem dnia. Obydwa są rejestrowane od 1900 roku.
Animacja, przesadzona dla przejrzystości, ilustruje wahania obrotu Ziemi, gdy położenie jej osi obrotu, pokazanej na pomarańczowo, oddala się od osi geograficznej, która jest pokazana na niebiesko i przedstawia wyimaginowaną linię pomiędzy geograficznymi biegunami północnym i południowym planety. Źródło: Studio Wizualizacji Naukowej NASA
Ruch polarny: dekady analizy
Analizując ruch biegunów na przestrzeni 12 dekad, naukowcy przypisali prawie wszystkie okresowe oscylacje położenia osi zmianom wód gruntowych, pokryw lodowych, lodowców i poziomu mórz. Jak wynika z artykułu opublikowanego niedawno w Nauka o przyrodziewahania masowe w XX wieku wynikały głównie z naturalnych cykli klimatycznych.
Ci sami badacze połączyli siły w kolejnym badaniu, które skupiało się na długości dnia. Odkryli, że od 2000 r. dni stają się dłuższe o około 1,33 milisekundy na 100 lat, co oznacza szybsze tempo niż w jakimkolwiek momencie poprzedniego stulecia. Przyczyna: przyspieszone topnienie lodowców oraz pokryw lodowych Antarktyki i Grenlandii na skutek emisji gazów cieplarnianych powodowanych przez człowieka. Ich wyniki opublikowano 15 lipca w Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
„Wspólnym wątkiem obu artykułów jest to, że zmiany klimatyczne na powierzchni Ziemi, niezależnie od tego, czy są spowodowane przez człowieka, czy nie, są silnymi czynnikami napędzającymi zmiany, które obserwujemy w rotacji planety” – stwierdziła Surendra Adhikari, współautorka książki obie prace, a także geofizyk w Jet Propulsion Laboratory NASA (JPL) w południowej Kalifornii.
Położenie osi obrotu Ziemi przesunęło się o około 30 stóp (10 metrów) między 1900 a 2023 rokiem, jak pokazano na tej animacji. Niedawne badania wykazały, że około 90% okresowych oscylacji w ruchu biegunowym można wytłumaczyć topnieniem pokryw lodowych i lodowców, zmniejszaniem się wód gruntowych i podnoszeniem się poziomu morza. Źródło: NASA/JPL-Caltech
Technologiczne śledzenie ruchu biegunowego
Na początku naukowcy śledzili ruch biegunów, mierząc pozorny ruch gwiazd. Później przeszli na interferometrię o bardzo długiej linii bazowej, która analizuje sygnały radiowe z kwazarów, lub pomiar odległości za pomocą lasera satelitarnego, który wskazuje lasery na satelity.
Naukowcy od dawna przypuszczali, że ruch biegunowy wynika z połączenia procesów zachodzących we wnętrzu Ziemi i na jej powierzchni. Mniej jasne było, jak bardzo każdy proces przesuwa oś i jaki efekt każdy z nich wywiera – czy to ruchy cykliczne powtarzające się w okresach od tygodni do dziesięcioleci, czy też utrzymujący się dryf na przestrzeni wieków lub tysiącleci.
W swojej pracy naukowcy wykorzystali algorytmy uczenia maszynowego do analizy 120-letniego rekordu. Odkryli, że 90% powtarzających się wahań między 1900 a 2018 rokiem można wytłumaczyć zmianami w wodach gruntowych, pokrywach lodowych, lodowcach i poziomie morza. Pozostała część wynikała głównie z dynamiki wnętrza Ziemi, na przykład wahań spowodowanych nachyleniem wewnętrznego jądra względem masy planety.
Wzorce ruchu biegunów powiązane ze zmianami mas powierzchniowych powtarzały się w XX wieku kilka razy mniej więcej co 25 lat, co sugeruje badaczom, że były one w dużej mierze spowodowane naturalnymi zmianami klimatycznymi. We wcześniejszych artykułach wykazano powiązania między nowszymi ruchami biegunów a działalnością człowieka, m.in. w tym jeden autorstwa Adhikari przypisuje to nagłe przesunięcie osi na wschód (rozpoczęcie około 2000 r.) szybszemu topnieniu pokryw lodowych Grenlandii i Antarktyki oraz wyczerpywaniu się wód gruntowych w Eurazji.
Badania te skupiały się na ostatnich dwudziestu latach, podczas których utrata wód gruntowych i masy lodowej, a także wzrost poziomu morza – a wszystko to mierzone za pomocą satelitów – miało silne powiązanie ze zmianami klimatycznymi powodowanymi przez człowieka.
„To do pewnego stopnia prawdą”, że działalność człowieka wpływa na ruch biegunowy, stwierdził Mostafa Kiani Shahvandi, główny autor obu artykułów i doktorant na szwajcarskim uniwersytecie ETH Zurich. „Ale w systemie klimatycznym istnieją naturalne tryby, które mają główny wpływ na oscylacje ruchu biegunów”.
Przyspieszenie wydłużania się dnia
W drugim artykule autorzy wykorzystali obserwacje satelitarne zmian masy z misji GRACE (skrót od Gravity Recovery and Climate Experiment) i jej kontynuacji GRACE-FO, a także wcześniejsze badania bilansu masy, w których analizowano udział zmian w wody gruntowe, pokrywy lodowe i lodowce do poziomu morza podniosły się w XX wieku, aby zrekonstruować zmiany długości dni spowodowane tymi czynnikami w latach 1900–2018.
Naukowcy wiedzą z historycznych zapisów zaćmień, że długość dnia rośnie od tysiącleci. Chociaż opóźnienie jest prawie niezauważalne dla ludzi, musi takie być rozliczone ponieważ wiele nowoczesnych technologii, m.in GPSpolegać na precyzyjnym odmierzaniu czasu.
W ostatnich dziesięcioleciach szybsze topnienie pokryw lodowych spowodowało przesunięcie masy z biegunów w stronę oceanu równikowego. To spłaszczenie powoduje, że Ziemia zwalnia, a dzień się wydłuża, podobnie jak łyżwiarz opuszcza i rozkłada ramiona, aby spowolnić obrót.
Autorzy zauważyli tuż po 2000 roku wzrost szybkości wydłużania się dnia, zmianę ściśle skorelowaną z niezależnymi obserwacjami spłaszczenia. W latach 2000–2018 tempo wzrostu długości dnia w wyniku ruchu lodu i wód gruntowych wyniosło 1,33 milisekundy na stulecie, czyli szybciej niż w jakimkolwiek okresie poprzednich 100 lat, kiedy wahało się od 0,3 do 1,0 milisekundy na stulecie. wiek.
Naukowcy zauważają, że wydłużenie spowodowane zmianami lodu i wód gruntowych może wyhamować do 2100 r. w scenariuszu klimatycznym zakładającym znacznie zmniejszone emisje. (Nawet gdyby emisje ustały dzisiaj, wcześniej uwolnione gazy – zwłaszcza dwutlenek węgla – pozostałyby w powietrzu przez dziesięciolecia dłużej).
Jeśli emisje będą nadal rosły, wydłużenie dnia w wyniku zmiany klimatu może osiągnąć nawet 2,62 milisekundy na stulecie, przewyższając wpływ przyciągania Księżyca na pływy, które wydłużają dzień na Ziemi średnio o 2,4 milisekundy na stulecie. Zjawisko to, zwane księżycowym tarciem pływowym, jest główną przyczyną wydłużania się dnia na Ziemi od miliardów lat.
„W ciągu zaledwie 100 lat ludzie zmienili system klimatyczny do tego stopnia, że widzimy wpływ na sam sposób obrotu planety” – powiedział Adhikari.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Zmiany klimatyczne spowalniają rotację Ziemi.
Referencje:
„The coraz bardziej dominująca rola zmian klimatycznych na zmiany długości dnia” Mostafa Kiani Shahvandi, Surendra Adhikari, Mathieu Dumberry, Siddhartha Mishra i Benedikt Soja, 15 lipca 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2406930121
„Wkład jądra, płaszcza i procesów klimatologicznych w ruch biegunowy Ziemi” autorstwa Mostafy Kiani Shahvandi, Surendry Adhikari, Mathieu Dumberry, Sadegh Modiri, Robert Heinkelmann, Harald Schuh, Siddhartha Mishra i Benedikt Soja, 12 lipca 2024 r., Nauka o przyrodzie.
DOI: 10.1038/s41561-024-01478-2
