Globalne ocieplenie spowalnia naszą planetę: Dlaczego dni stają się dłuższe

Jak zmiany klimatu wpływają na mechanizm zegarowy Ziemi

Zmiany klimatyczne to nie tylko rekordy temperatur, topniejące lodowce i rosnące poziomy mórz. Naukowcy udowodnili coś zaskakującego: sposób, w jaki podgrzewamy klimat, zmienia również obroty samej Ziemi — i wydłuża dobę w mierzalny sposób, choć na razie o mikroskopijne wartości.

Od dziesięcioleci planeta się ociepla. Lodowce i pokrywy lodowe tracą masę, a ogromne ilości wody wędrują z biegunów do oceanów. To zmienia rozkład masy na Ziemi — a co za tym idzie, jej rotację. Zjawisko to opiera się na tej samej fizyce, którą znamy z łyżwiarstwa figurowego.

Kiedy masa przemieszcza się z biegunów w kierunku równika, Ziemia niejako „rozciąga się" — jej moment bezwładności rośnie, a rotacja zwalnia. Dni stają się dłuższe.

Zespół naukowców pod kierownictwem geofizyka Mostafa Kiani Shahvandiego wyjaśnia to następująco: Ziemia zachowuje się jak łyżwiarka w piruecie. Gdy przyciąga ramiona do ciała, obraca się szybciej. Gdy je rozkłada, zwalnia. Topnienie mas lodowych to właśnie takie „rozłożenie ramion" — tyle że w skali całej planety.

Dlaczego dopiero teraz zauważamy, że dni się wydłużają

Już blisko dwa lata temu pomiary wykazały, że w ostatnich dekadach doby nieznacznie się skróciły. Brzmiało to sprzecznie z teorią, bo zmiany klimatu powinny Ziemię hamować. Wyjaśnienie tkwi w tym, że na rotację Ziemi wpływają jednocześnie różne siły, między innymi:

• ruchy w jądrze i płaszczu Ziemi,
• siła grawitacyjna Księżyca,
• przesunięcia płyt tektonicznych,
• odkształcenia wywołane pływami,
• powolne unoszenie się skorupy po minionych epokach lodowcowych.

W ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat procesy zachodzące we wnętrzu Ziemi czasowo przyspieszały jej rotację silniej, niż zmiany klimatu były w stanie ją spowolnić. Oba efekty nakładały się na siebie — efektem netto były nieco krótsze doby.

Ta delikatna równowaga właśnie się przechyla. Nowe badanie opublikowane w „Journal of Geophysical Research: Solid Earth" dowodzi, że od początku XXI wieku doby wydłużają się szybciej, niż wynikałoby to wyłącznie z naturalnych procesów.

O ile dłuższy staje się dzień — i czy ktokolwiek to zauważy?

Wartości wydają się śmiesznie małe. Naukowcy szacują obecnie około 1,33 milisekundy na stulecie. Nawet po stu latach to nie wystarczy na jedną dodatkową sekundę w ciągu doby.

Mimo to zespół badawczy określa ten efekt jako „niemal bezprecedensowy" w najnowszej historii Ziemi. Jest on jednoznacznie wytworzony przez człowieka — bezpośrednią konsekwencją naszych emisji gazów cieplarnianych. Szczególnie niepokojące jest to, że jeśli obecny poziom emisji CO₂ utrzyma się, do końca stulecia nasz wpływ na rotację Ziemi mógłby przewyższyć wpływ samego Księżyca.

Prognoza: do 2100 roku wywołany przez człowieka efekt hamowania może okazać się silniejszy niż naturalny wpływ Księżyca na rotację Ziemi.

Spojrzenie wstecz — 3,6 miliona lat historii

Aby ocenić, jak wyjątkowe są obecne zmiany, same nowoczesne przyrządy pomiarowe nie wystarczą. Dlatego duet badaczy — Kiani Shahvandi i Benedikt Soja z ETH Zurych — cofnął się głęboko w geologiczną przeszłość: aż 3,6 miliona lat, do okresu zwanego piacenzem w epoce pliocenu.

Wykorzystali do tego maleńkie skamieniałości bentosowych otwornic — jednokomórkowych organizmów żyjących na dnie oceanów. Ich skorupki reagują wyjątkowo czule na warunki środowiskowe, w tym na poziom morza. Zmiany poziomu morza odciskają się w chemicznym składzie tych skorupek.

Na podstawie tych odchyleń można wnioskować, jak wysokie były oceany w przeszłości, jak duże były ówczesne pokrywy lodowe i jak rozkładała się masa na Ziemi. A to z kolei — podobnie jak dziś — wpływało na prędkość rotacji planety.

Głębokie uczenie jako maszyna czasu

Problem stanowiły luki w skamieniałych archiwach — nie każdy okres jest równie dobrze udokumentowany. Aby wypełnić te „martwe strefy", naukowcy zastosowali probabilistyczny algorytm głębokiego uczenia. To statystyczne narzędzie wytrenowano tak, by rozpoznawało wzorce w niekompletnych zbiorach danych i uzupełniało brakujące fragmenty z obliczonym prawdopodobieństwem.

Na podstawie zrekonstruowanych poziomów morza udało się odtworzyć, jak długość doby zmieniała się przez 3,6 miliona lat — i porównać to z obecnymi trendami.

Tylko raz coś podobnego — ale trwało o wiele dłużej

W całym badanym okresie naukowcy znaleźli tylko jedno zdarzenie, które pod względem tempa spowolnienia rotacji zbliżało się do dzisiejszego. Miało ono miejsce około 2 miliony lat temu, gdy pokrywy lodowe przechodziły przez szczególnie intensywne cykle wzrostu i topnienia.

Kluczowa różnica: tamte zmiany rozciągały się na dziesiątki tysięcy lat, wywołane naturalnymi cyklami astronomicznymi — niewielkimi wahaniami orbity i nachylenia Ziemi. Dziś osiągamy porównywalne tempo w ciągu zaledwie kilku dekad — napędzane spalaniem paliw kopalnych.

To, co niegdyś zajmowało dziesiątki tysięcy lat, ludzkość wymusza teraz w przyspieszonym tempie — w ciągu jednego ludzkiego życia.

Dlaczego kilka milisekund może zadać ból naszej technologii

Na pierwszy rzut oka millisekunda wydaje się pyłkiem w trybach maszyny. W codziennym życiu nikt jej nie odczuje. A jednak ogromna część naszej infrastruktury technicznej opiera się na niezwykle precyzyjnym pomiarze czasu.

Nowoczesne społeczeństwa polegają na siatce czasowej dokładnej do miliardowych części sekundy. Kilka przykładów:

• Zegary atomowe wyznaczają oficjalny czas światowy i synchronizują sieci telekomunikacyjne.
• Satelity GPS potrzebują precyzyjnych danych czasowych, by wyznaczać pozycję z dokładnością do kilku metrów.
• Nawigacja lotnicza korzysta z tych sygnałów do bezpiecznego wyznaczania tras.
• Sieci energetyczne bilansują produkcję i zużycie w czasie rzeczywistym — błąd może doprowadzić do blackoutu.
• Rynki finansowe przetwarzają tysiące transakcji na milisekundę, a dokładny czas ma znaczenie prawne.

Z tych powodów służby czasowe wprowadzają okazjonalnie sekundy przestępne, synchronizując czas atomowy z nierównomiernie rotującą Ziemią. Im silniejszy staje się wywołany przez człowieka efekt hamowania, tym częściej konieczne są korekty. Każda dodatkowa korekta może dezorganizować oprogramowanie i systemy — aż po awarie i zagrożenia bezpieczeństwa.

Co kryje się za pojęciami momentu bezwładności i sekundy przestępnej

Moment bezwładności opisuje, jak trudno wprawić ciało w ruch obrotowy lub je zahamować. Im dalej masa znajduje się od osi obrotu, tym większy jest ten moment. Dlatego łyżwiarka obraca się wolniej, gdy rozkłada ramiona — i z tego samego powodu Ziemia traci prędkość obrotową, gdy woda przemieszcza się z biegunów ku równikowi.

Sekunda przestępna to korekta wprowadzana wtedy, gdy różnica między czasem atomowym a rzeczywistą rotacją Ziemi staje się zbyt duża. Dodaje się wówczas — lub teoretycznie odejmuje — jedną sekundę do czasu światowego. Nawet ta jedna sekunda potrafi wywołać poważne problemy w niektórych systemach komputerowych.

Zmiany klimatu działają w miejscach, których nikt nie spodziewa się obserwować

Badanie pokazuje, jak głęboko człowiek ingeruje w procesy geofizyczne, które przez długi czas uchodziły za czysto naturalne. Nie „tylko" podgrzewamy atmosferę, zmieniamy ekstrema pogodowe czy poziom morza. Realnie zmieniamy prędkość obrotu całej planety.

Pojawia się tym samym kolejna, często pomijana warstwa ryzyka: im bardziej destabilizujemy system klimatyczny, tym więcej systemów technicznych i społecznych będzie musiało dostosować się do nowych fizycznych uwarunkowań — od planowania wybrzeży po globalne standardy czasu. Wydłużenie doby o milisekundy wydaje się niegroźne, ale pokazuje wyraźnie, jak daleko przekraczamy już naturalne granice naszej planety.