Zmiany klimatu spowalniają Ziemię: Dlaczego nasze dni stają się dłuższe

Jak topniejący lód hamuje obrót Ziemi

Brzmi jak science fiction, ale dane są jednoznaczne. Wywołane przez człowieka zmiany klimatu wpływają nie tylko na temperatury, burze i poziom mórz, lecz także na samo obracanie się Ziemi. Nowe badania dowodzą, że nasze dni wydłużają się w sposób minimalny, ale mierzalny — a efekt ten jest już silniejszy niż niejeden naturalny proces kształtujący rotację planety od milionów lat.

Żeby zrozumieć, co się dzieje, wyobraź sobie łyżwiarkę figurową wykonującą piruet. Gdy przyciąga ramiona do ciała, kręci się szybciej. Gdy je rozciąga — zwalnia. Ziemia robi dokładnie to samo, tyle że zamiast ramion używa wody i lodu.

Dopóki wielkie pokrywy lodowe spoczywają na biegunach, ogromna masa pozostaje blisko osi obrotu. Gdy lodowce i czapy lodowe topnieją, woda spływa do oceanów i rozchodzi się bliżej równika. Masa oddala się od osi, moment bezwładności planety rośnie — i Ziemia obraca się odrobinę wolniej.

Topnienie czap lodowych przemieszcza tyle wody, że Ziemia odczuwalnie traci prędkość obrotową — to bezpośrednia konsekwencja zmian klimatu.

Badanie opublikowane w czasopiśmie „Journal of Geophysical Research: Solid Earth" wykazuje, że to hamowanie spowodowane przemieszczaniem mas wodnych znów dominuje, po tym jak przez dziesięciolecia było częściowo maskowane przez procesy zachodzące w jądrze Ziemi. Rezultat jest jeden: nasze dni się wydłużają.

O ile naprawdę wydłużają się nasze dni?

Kto liczy na dodatkową godzinę snu, będzie rozczarowany. Mowa o milisekundach. Naukowcy szacują, że długość doby wydłuża się obecnie o około 1,33 milisekundy na stulecie. Żaden człowiek tego nie odczuje na co dzień, ale w badaniach precyzyjnych i technice taka wartość ma realne znaczenie.

Jeśli globalna emisja gazów cieplarnianych utrzyma się na obecnym poziomie, do roku 2100 zmiana długości doby może wynosić według obliczeń 2,62 milisekundy na stulecie. To więcej niż wpływ grawitacji Księżyca na rotację Ziemi w tym samym czasie.

• Obecne szacunki: +1,33 ms na stulecie
• Prognoza przy niezmienionych emisjach do 2100 r.: +2,62 ms na stulecie
• Wpływ Księżyca: mniejszy niż spodziewany efekt zmian klimatu

Chodzi więc o mikroskopijne przedziały czasu. Mimo to badacze mówią o zjawisku „niemal bezprecedensowym" w najnowszej historii Ziemi — bo zmiana narasta w zatrważająco szybkim tempie.

Ziemia w długoterminowym ujęciu: spojrzenie 3,6 miliona lat wstecz

By ocenić, jak wyjątkowe są obecne zmiany, same dane satelitarne z ostatnich dekad nie wystarczą. Naukowcy sięgnęli do geologicznej przeszłości — cofnęli się o około 3,6 miliona lat, w środek epoki geologicznej zwanej piacenzem, czyli część pliocenu.

Zbadali w tym celu mikroskopijne skamieniałe organizmy — bentosowe otwornice. Te jednokomórkowe stworzenia żyły na dnie morskim, a ich wapienne skorupki rejestrowały chemiczny skład otaczającej wody. Na tej podstawie można odtworzyć dawny poziom mórz.

Chemia pradawnych organizmów morskich ujawnia, jak pokrywy lodowe — a wraz z nimi długość doby — zmieniały się przez miliony lat.

Logika jest prosta:

• Gdy na biegunach skumulowany jest duży lód, poziom mórz spada, a masa pozostaje blisko biegunów.
• Gdy lód topnieje, poziom mórz rośnie, a woda rozprzestrzenia się bardziej w okolicach równika.
• Przemieszczenie masy wpływa na prędkość obrotu Ziemi, a więc i na długość doby.

Dane z kopalnych archiwów są niepełne. Aby mimo to uzyskać możliwie kompletny obraz, zespół badawczy zastosował probabilistyczny model głębokiego uczenia maszynowego. Algorytm uczył się rozpoznawać wzorce w znanych szeregach czasowych i uzupełniał brakujące fragmenty wraz z obliczoną niepewnością.

Na tej podstawie naukowcy odtworzyli, jak długość doby zmieniała się przez 3,6 miliona lat — zawsze w powiązaniu z przekształceniami mas lodowych i poziomem mórz.

Niemal wyjątkowe zjawisko w dziejach Ziemi

Rekonstrukcja pokazuje coś zdumiewającego: w całym tym okresie tylko raz długość doby zmieniała się równie szybko jak dziś. Miało to miejsce około dwóch milionów lat temu, gdy pokrywy lodowe wyjątkowo gwałtownie oscylowały. Wówczas odpowiadały za to długofalowe cykle astronomiczne — subtelne zmiany orbity Ziemi i nachylenia jej osi — powodujące potężne, lecz powolne wahania klimatyczne.

Kluczowa różnica tkwi w czasie. Tamta zmiana rozciągała się na dziesiątki tysięcy lat. Dzisiejszy efekt narasta w ciągu zaledwie kilku dekad — za sprawą błyskawicznie rosnącej emisji CO₂ i innych gazów cieplarnianych.

To, co naturalne procesy osiągały niegdyś przez tysiąclecia, ludzkość funduje planecie w ułamku tamtego czasu.

Dla badaczy to jednoznaczny sygnał, że obecna tendencja nie wynika z normalnych wahań systemu Ziemia, lecz bezpośrednio z działalności człowieka.

Dlaczego milisekundy mogą mieć ogromne znaczenie dla techniki

W codziennym życiu ludzie radzą sobie dobrze z niedokładnymi zegarami. Nowoczesna technologia wysokich osiągów nie ma tego komfortu. Wiele systemów wymaga ekstremalnie precyzyjnej podstawy czasowej, często na poziomie milionowych części sekundy.

Dotyczy to między innymi:

• Zegarów atomowych definiujących globalne skale czasu
• Satelitów GPS i innych systemów nawigacyjnych sterujących lotnictwem i żeglugą
• Satelitów służących obserwacji pogody i klimatu
• Sieci energetycznych balansujących podaż i popyt w czasie rzeczywistym
• Handlu wysokiej częstotliwości na rynkach finansowych, gdzie milisekundy decydują o zyskach lub stratach

Dotychczas specjaliści korygują drobne nieregularności rotacji Ziemi za pomocą tzw. sekund przestępnych. Gdy obracająca się Ziemia przestaje odpowiadać czasowi atomowemu, na końcu roku dodaje się niekiedy jedną sekundę. Dzięki temu pozycja Słońca i czas zegarowy nie rozchodzą się całkowicie.

Jeśli wydłużanie dni napędzane zmianami klimatu przyspieszy, system ten może znaleźć się pod presją. Każda korekta obciąża infrastrukturę informatyczną i systemy komunikacyjne — wiele sieci jest niezwykle wrażliwych na nagłe skoki czasowe. Już wcześniejsze sekundy przestępne powodowały niekiedy usterki oprogramowania i awarie.

Co dokładnie oznacza słowo „antropogeniczny"

Badanie wyraźnie określa ten efekt jako antropogeniczny — to znaczy niewynikający z przyczyn naturalnych, lecz stworzony przez człowieka. Leżące u podstaw mechanizmy są dobrze znane:

• Spalanie węgla, ropy i gazu uwalnia ogromne ilości CO₂.
• Gazy cieplarniane zatrzymują więcej ciepła w atmosferze.
• Lodowce i pokrywy lodowe topnieją szybciej, poziom mórz rośnie.
• Redystrybucja mas wodnych spowalnia rotację Ziemi.

W ten sposób abstrakcyjne pojęcie „antropocen" — era Ziemi ukształtowana przez człowieka — nabiera bardzo konkretnego wymiaru. Nasza przemysłowa działalność sięga aż do najsubtelniejszych właściwości fizycznych planety, włącznie z prędkością, z jaką się ona obraca.

Co ten efekt oznacza dla nadchodzących dekad

Dla osobistego poczucia czasu efekt pozostaje znikomy. Nikt nie odczuje, że dzień w roku 2100 trwa kilka milisekund dłużej niż dziś. Napięcia pojawią się na styku geofizyki, informatyki i infrastruktury.

Im więcej procesów opiera się na ultraprecyzyjnych znacznikach czasu, tym bardziej wrażliwe są na odchylenia. Możliwe przyszłe konsekwencje obejmują:

• Częstsze lub bardziej złożone korekty oficjalnych skal czasu
• Dostosowania protokołów GPS, serwerów czasu internetowego i łączności satelitarnej
• Większe nakłady na testy i mechanizmy bezpieczeństwa w krytycznych systemach IT
• Polityczne i techniczne debaty o tym, czy i jak sekundy przestępne będą kontynuowane lub zastępowane w przyszłości

Naukowcy podkreślają, że najpoważniejszych problemów technicznych sami prawdopodobnie nie dożyjemy. Wiele z możliwych zakłóceń da się w pełni odczuć dopiero za kilka pokoleń. Niemniej badanie jasno pokazuje: polityka klimatyczna decyduje nie tylko o falach upałów, powodziach i wymieraniu gatunków, ale też o precyzyjnym rytmie, wedle którego funkcjonuje nasza techniczna cywilizacja.

To coś więcej niż tylko ciekawostka

Kilka milisekund więcej na dobę brzmi na początku niegroźnie, niemal zabawnie. Za tą liczbą kryje się jednak ogromny proces fizyczny: planeta na nowo rozkłada swoją masę, bo znikają gigantyczne ilości lodu. Zmienia to poziom mórz, zagraża milionom ludzi na wybrzeżach — i jednocześnie hamuje obrót Ziemi.

Kto chce pojąć, jak głęboko zmiany klimatu przekształcają nasze podstawy egzystencji, znajdzie w tym badaniu wymowny przykład. Nie tylko nasze miasta, ekosystemy i systemy gospodarcze tracą rytm. Nawet pozornie stała kosmiczna wielkość — długość doby — powoli wysuwa się z wielowiekowej kolei rzeczy.