Zmiana klimatu powoduje topnienie lodów Grenlandii i Antarktyki, przemieszczanie wody do obszarów równikowych i wpływanie na rotację Ziemi, co wydłuża dni o kilka milisekund. Przy wsparciu NASA badacze z ETH Zurich wykazali, że uderzenie to może przewyższyć wpływ Księżyca na prędkość obrotową Ziemi, a także powoduje zmianę osi obrotu Ziemi.
Topniejący lód polarny w wyniku zmiany klimatu powoduje redystrybucję masy Ziemi, spowalniając jej obrót i nieznacznie wydłużając dzień, jak wykazały badania ETH Zurich wspierane przez NASA. Wskazuje to na większy wpływ człowieka na dynamikę rotacyjną Ziemi, niż wcześniej sądzono.
Zmiany klimatyczne prowadzą do topnienia lodów na Grenlandii i Antarktydzie. W rezultacie woda z obszarów polarnych wpływa do oceanów świata, a zwłaszcza do obszaru równikowego. „Oznacza to, że ma miejsce zmiana masy, co wpływa na obrót Ziemi” – wyjaśnia Benedikt Soja, profesor geodezji kosmicznej na Wydziale Inżynierii Lądowej, Środowiska i Geomatycznej w ETH Zurich.
„To tak, jak łyżwiarka figurowa wykonująca piruet, najpierw trzymając ręce blisko ciała, a potem je prostując” – mówi Soja. Początkowo szybki obrót staje się wolniejszy, ponieważ masy oddalają się od osi obrotu, zwiększając bezwładność fizyczną. W fizyce mówimy o prawie zachowania momentu pędu i to samo prawo rządzi również obrotem Ziemi. Jeśli Ziemia obraca się wolniej, dni stają się dłuższe. Zmiany klimatyczne zmieniają zatem także długość dnia na Ziemi, choć tylko w minimalnym stopniu.
Przy wsparciu amerykańskiej agencji kosmicznej NASA badacze ETH z grupy Soja opublikowali w czasopismach dwa nowe badania Nauka o przyrodzie I Postępowanie Narodowej Akademii Nauk (PNAS) na temat wpływu zmian klimatycznych na ruch biegunów i długość dnia.
Zmiana klimatu przewyższa wpływ Księżyca
W badaniu PNAS badacze z ETH Zurich wykazali, że zmiany klimatyczne również wydłużają dzień o kilka milisekund w porównaniu z obecnymi 86 400 sekundami. Dzieje się tak dlatego, że woda przepływa z biegunów na niższe szerokości geograficzne, spowalniając w ten sposób prędkość obrotu.
Inną przyczyną tego spowolnienia jest tarcie pływowe wywoływane przez Księżyc. Jednak nowe badanie prowadzi do zaskakującego wniosku: jeśli ludzie w dalszym ciągu będą emitować więcej gazów cieplarnianych, a Ziemia odpowiednio się ogrzeje, ostatecznie będzie to miało większy wpływ na prędkość obrotową Ziemi niż wpływ Księżyca, który zadecydował o wzroście w długości dnia przez miliardy lat. „My, ludzie, mamy większy wpływ na naszą planetę, niż zdajemy sobie sprawę” – podsumowuje Soja – „a to w naturalny sposób nakłada na nas wielką odpowiedzialność za przyszłość naszej planety”.
Oś obrotu Ziemi przesuwa się
Jednak zmiany masy na powierzchni Ziemi i w jej wnętrzu spowodowane topniejącym lodem nie tylko zmieniają prędkość obrotową Ziemi i długość dnia: jak wykazali naukowcy w Nauka o przyrodzie, zmieniają także oś obrotu. Oznacza to, że punkty, w których oś obrotu faktycznie styka się z powierzchnią Ziemi, poruszają się. Naukowcy mogą obserwować ten ruch biegunowy, który w dłuższym okresie dochodzi do około dziesięciu metrów na sto lat. Rolę odgrywa tu nie tylko topnienie pokryw lodowych, ale także ruchy zachodzące we wnętrzu Ziemi. Głęboko w płaszczu Ziemi, gdzie skała staje się lepka pod wpływem wysokiego ciśnienia, przez długie okresy czasu zachodzą przemieszczenia. W ciekłym metalu zewnętrznego jądra Ziemi zachodzą również przepływy ciepła, które są odpowiedzialne zarówno za wytwarzanie ziemskiego pola magnetycznego, jak i za zmiany masy.
W najbardziej kompleksowym jak dotąd modelowaniu Soja i jego zespół pokazali, w jaki sposób ruch polarny wynika z poszczególnych procesów zachodzących w jądrze, w płaszczu i z klimatu na powierzchni. Wyniki ich badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Nauka o przyrodzie. „Po raz pierwszy przedstawiamy pełne wyjaśnienie przyczyn długookresowego ruchu biegunów” – mówi Mostafa Kiani Shahvandi, jeden z doktorantów Soja i główny autor badania. „Innymi słowy, wiemy teraz, dlaczego i jak oś obrotu Ziemi porusza się względem skorupy ziemskiej”.
Jedno odkrycie szczególnie wyróżnia się w badaniu przeprowadzonym w Nauka o przyrodzie: że procesy na i w Ziemi są ze sobą powiązane i wpływają na siebie. „Zmiana klimatu powoduje ruch osi obrotu Ziemi i wydaje się, że sprzężenie zwrotne wynikające z zachowania momentu pędu zmienia również dynamikę jądra Ziemi” – wyjaśnia Soja. Kiani Shahvandi dodaje: „Trwająca zmiana klimatu może zatem nawet wpływać na procesy głęboko w Ziemi i mieć większy zasięg, niż wcześniej zakładano”. Jednakże nie ma powodów do niepokoju, ponieważ skutki te są niewielkie i jest mało prawdopodobne, że stanowią ryzyko.
Prawa fizyczne w połączeniu ze sztuczną inteligencją
Do badań ruchu biegunowego naukowcy wykorzystali tak zwane sieci neuronowe oparte na fizyce. To są nowości sztuczna inteligencja (AI) metody, w których badacze stosują prawa i zasady fizyki w celu opracowania szczególnie wydajnych i niezawodnych algorytmów nauczanie maszynowe. Kiani Shahvandi otrzymała wsparcie od Siddharthy Mishry, profesor matematyki na ETH Zurich, która w 2023 r. otrzymała nagrodę Rössler Prize ETH Zurich – najbardziej prestiżową nagrodę naukową uczelni i która jest specjalistką w tej dziedzinie.
Algorytmy opracowane przez Kiani Shahvandi umożliwiły po raz pierwszy zarejestrowanie wszystkich różnych efektów zachodzących na powierzchni Ziemi, w jej płaszczu i jądrze oraz modelowanie ich możliwych interakcji. Wynik obliczeń pokazuje, jak przemieszczały się bieguny obrotowe Ziemi od 1900 roku. Wartości modelu są w doskonałej zgodności z rzeczywistymi danymi dostarczanymi przez obserwacje astronomiczne w przeszłości oraz przez satelity na przestrzeni ostatnich trzydziestu lat, co oznacza, że umożliwiają także prognozowanie przyszłość.
Ważne dla podróży kosmicznych
„Nawet jeśli obrót Ziemi zmienia się powoli, efekt ten należy wziąć pod uwagę podczas nawigacji w przestrzeni kosmicznej – na przykład podczas wysyłania sondy kosmicznej w celu wylądowania na innej planecie” – mówi Soja. Nawet niewielkie odchylenie o zaledwie jeden centymetr na Ziemi może urosnąć do odchylenia setek metrów na ogromnych dystansach. „W przeciwnym razie nie będzie możliwe wylądowanie w konkretnym kraterze Mars,” on mówi.
Bibliografia:
„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 polarny 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
