Ziemia wyhamowuje przez klimat. Naukowcy alarmują: to problem dla GPS i czasu atomowego

Najnowsze badania pokazują, że wpływa też na coś, co wydawało się nietykalne: tempo obrotu Ziemi.

W codziennym życiu dzień ma dla nas zawsze 24 godziny. Zegar w telefonie, rozkład pociągów, nawigacja w samochodzie – wszystko działa, jakby czas płynął idealnie równo. Precyzyjne pomiary pokazują jednak, że długość dnia powoli się zmienia, a jednym z głównych winowajców staje się współczesne ocieplenie klimatu.

Ziemia zwalnia: co właściwie wykryli naukowcy

Międzynarodowy zespół badaczy z uniwersytetów w Wiedniu i Zurychu przeanalizował archiwa naszej planety sięgające 3,6 miliona lat wstecz. Zrobili to w dość niezwykły sposób: badając mikroskopijne organizmy zachowane w osadach morskich. Ich skamieniałe skorupki zawierają zapis dawnych zmian klimatu i orbit, a z tych sygnałów da się odtworzyć także dawne wahania długości dnia.

Po zestawieniu tych danych z dokładnymi modelami ruchu Ziemi wokół Słońca wyszło coś, czego wcześniej nie widziano w takiej skali. Długość dnia rośnie dziś średnio o około 1,33 milisekundy na każde sto lat. Wydaje się to śmiesznie mało, ale w geologicznej perspektywie to bardzo ostry zakręt.

Przeczytaj również: Fizycy z CERN namierzyli niezwykłą cząstkę cztery razy cięższą od protonu

Dni wydłużają się obecnie mniej więcej dwa razy szybciej niż w czasie naturalnych okresów gwałtownego topnienia lodowców w przeszłości geologicznej.

Oznacza to, że ludzki wpływ na klimat stał się na tyle silny, iż zaczął zostawiać ślad w samej mechanice ruchu naszej planety. Nie chodzi więc już tylko o temperaturę czy poziom mórz, lecz o podstawowe parametry ruchu Ziemi w przestrzeni kosmicznej.

Jak topniejący lód zmienia prędkość obrotu planety

Klucz do zrozumienia tego zjawiska kryje się w prostym porównaniu z łyżwiarką figurową. Gdy przyciąga ręce do tułowia, zaczyna wirować szybciej. Gdy je szeroko rozkłada, jej obrót zwalnia. Dzieje się tak, bo zmienia tzw. moment bezwładności, czyli rozkład masy względem osi obrotu.

Przeczytaj również: Brazylijskie mokradła ukryte za Amazonią: cichy gigant magazynuje węgiel

Z Ziemią jest podobnie. Kiedy lód na biegunach topnieje, ogromne ilości wody trafiają do oceanów. Ta woda nie zatrzymuje się przy biegunach, tylko rozkłada się bliżej równika. W efekcie więcej masy znajduje się dalej od osi obrotu. Planeta dosłownie „puchnie” w okolicach równika, a jej obrót stopniowo zwalnia.

• lądolody Grenlandii i Antarktydy tracą miliardy ton lodu rocznie,
• woda zasilająca oceany przesuwa środek ciężkości Ziemi,
• równik delikatnie się uwypukla,
• większy moment bezwładności oznacza wolniejszy obrót.

Tego procesu nie da się zobaczyć gołym okiem, ale rejestrują go satelity geodezyjne i bardzo czułe instrumenty pomiarowe. Potrafią one wychwycić zmiany sięgające pojedynczych nanometrów – mniej niż grubość ludzkiego włosa podzielona na setki tysięcy kawałków.

Przeczytaj również: Dlaczego marchewka jest pomarańczowa? Ma to związek z jednym krajem

Pomiarowe systemy satelitarne pokazują, że masa planety realnie przesuwa się z biegunów ku szerokościom umiarkowanym i tropikalnym, pogłębiając równikowe „wybrzuszenie”.

Rekord w skali 3,6 miliona lat

Żeby ocenić, czy to, co dzieje się dzisiaj, jest czymś wyjątkowym, naukowcy cofnęli się do późnego pliocenu – epoki sprzed kilku milionów lat, kiedy Ziemia miała podobne stężenie dwutlenku węgla, a temperatury były wyższe niż w epoce lodowej. W archiwach osadów morskich szukali sygnałów dawnej cyrkulacji oceanicznej, poziomów lodu i zmian w ruchu obrotowym.

Analiza wykazała, że w naturalnych, ciepłych okresach geologicznych również dochodziło do spowolnień rotacji związanych z topnieniem lodu. Żaden z tych epizodów nie osiągnął jednak skali współczesnej. Tempo obecnego wydłużania dnia wyprzedza wszystkie wzorce wyliczone dla ostatnich 3,6 miliona lat.

Co więcej, symulacje sugerują, że przy utrzymaniu lub zwiększeniu emisji gazów cieplarnianych do końca XXI wieku tempo to może się jeszcze podwoić. W takiej sytuacji wpływ klimatu na obrót Ziemi stałby się silniejszy niż efekt pływów wywoływanych przez Księżyc, które przez miliardy lat powoli hamowały rotację planety.

Co to znaczy w praktyce dla długości dnia?

W skali jednego życia różnice nie będą odczuwalne. W ciągu stu lat dzień wydłuży się o niewiele ponad tysięczną część sekundy. Dla człowieka to zero. Dla systemów opartych na precyzyjnym czasie – już nie.

Wydaje się to wciąż niewiele, lecz dla globalnej infrastruktury opartej na precyzyjnym pomiarze czasu takie różnice stają się coraz bardziej problematyczne.

Nawigacja GPS i satelity muszą „nauczyć się” nowej Ziemi

Usługi, które traktujemy jako oczywistość – jak nawigacja GPS w telefonie czy samochodzie – działają tylko dzięki temu, że satelity wokół Ziemi zachowują perfekcyjną synchronizację czasu. Każde urządzenie GPS oblicza pozycję, mierząc różnice w czasie sygnałów nadawanych przez kilka satelitów jednocześnie.

Niewielkie przesunięcia rzędu milisekund mogą zamienić się w błędy lokalizacji liczone w metrach, a przy dłuższym zaniedbaniu – w dziesiątkach metrów.

Dlatego agencje kosmiczne i instytuty odpowiedzialne za systemy nawigacyjne stale aktualizują modele ruchu Ziemi. Muszą w nich uwzględniać nie tylko tradycyjne czynniki, takie jak pływy oceaniczne czy trzęsienia ziemi, ale coraz wyraźniej także wpływ współczesnego ocieplenia.

Zmiany w rozkładzie masy planety dotyczą również samych orbit satelitów. Trajektorie sond naukowych, satelitów komunikacyjnych i systemów obserwacji Ziemi trzeba regularnie korygować. W obliczu przyspieszającego topnienia lodu te korekty wymagają coraz dokładniejszych prognoz geofizycznych.

Dlaczego klimat zaczyna mieszać w czasie atomowym

Oficjalny czas, z którego korzystają sieci energetyczne, giełdy, lotnictwo czy internet, opiera się na tzw. czasie atomowym. Wyznaczają go tysiące niezwykle stabilnych zegarów atomowych rozmieszczonych na całym globie. Ziemia nie obraca się jednak idealnie równomiernie, więc od dziesięcioleci utrzymuje się drugi system – czas związany z realnym obrotem planety.

Aby te dwa światy się nie rozjechały, od 1972 roku wprowadza się tzw. sekundy przestępne. Co jakiś czas międzynarodowe instytucje dodają lub w przyszłości mogą także odejmować jedną sekundę, aby zsynchronizować zegary atomowe z tym, co robi Ziemia.

W okresach względnie przewidywalnego spowalniania rotacji można było z wyprzedzeniem planować takie korekty. Zmienny wpływ topnienia lodu i dynamicznych procesów klimatycznych sprawia jednak, że ruch obrotowy staje się coraz mniej regularny. Dla operatorów systemów krytycznych – od sieci telekomunikacyjnych po systemy bankowe – każda niespodziewana korekta sekund przestępnych to ryzyko błędów i awarii.

Głębsze skutki: nie tylko czas i nawigacja

Naukowcy zwracają uwagę, że przesuwanie masy na powierzchni planety z biegunów ku niższym szerokościom geograficznym może mieć też inne konsekwencje. Zmienia się kształt Ziemi, jej moment bezwładności i rozkład ciężaru, co wpływa na:

• delikatne ruchy osi obrotu,
• pracę ziemskiego pola magnetycznego,
• cyrkulację głębokich wód oceanicznych,
• rozmieszczenie napięć w skorupie ziemskiej.

Te procesy przebiegają w długich, wieloletnich cyklach, więc ich pełne konsekwencje dopiero się ujawnią. Już dziś widać jednak, że działalność człowieka nie zatrzymuje się na atmosferze. Zaczyna ingerować w zjawiska, które przez miliony lat podlegały wyłącznie powolnym prawom geologii i astronomii.

Co z tego wynika dla przeciętnej osoby

Na poziomie codziennego życia nie trzeba się obawiać, że „jutro dzień będzie dłuższy” w sposób odczuwalny. Nasze zegarki dalej będą odmierzały sekundy tak samo, a zmiany będą korygowane w tle przez międzynarodowe instytucje i systemy techniczne.

Warto jednak dostrzec, jak głęboko sięga skala obecnych przemian. To, co kiedyś wydawało się stałą – długość dnia, ruch planety – okazuje się podatne na zmiany wywołane przez działalność cywilizacji. Dla części osób może to być mocniejszy sygnał niż kolejne rekordy temperatur czy kolejne dane o topniejących lodowcach.

Z geofizycznego punktu widzenia Ziemia opowiada nam bardzo prostą historię: gdy zwiększamy ilość gazów cieplarnianych, uruchamiamy łańcuch efektów, który sięga daleko poza pogodę. W tym łańcuchu mieści się nie tylko wzrost poziomu mórz czy fale upałów, ale także korekty czasu, trajektorii satelitów i sam sposób, w jaki planeta obraca się w przestrzeni.