Zmiany klimatu wydłużają dzień na Ziemi. Skutki mogą nas zaskoczyć

Naukowcy pokazują, że zaczyna też majstrować przy długości doby.

Brzmi jak science fiction, ale to twarda geofizyka: przesuwające się masy wody i lodu delikatnie spowalniają ruch obrotowy naszej planety. Dzieje się to zbyt wolno, byśmy poczuli to w codziennym życiu, a jednocześnie na tyle szybko, że inżynierowie odpowiedzialni za czas, GPS i sieci energetyczne już muszą się tym przejmować.

Jak globalne ocieplenie hamuje Ziemię

Zespół badaczy opisał w prestiżowym czasopiśmie naukowym, że w ostatnich dekadach doba zaczęła się wydłużać. Proces jest ściśle związany z topnieniem lodowców i lądolodów oraz rosnącym poziomem oceanów.

Szacunki wskazują, że długość dnia zwiększa się dziś o około 1,33 milisekundy na sto lat, a pod koniec wieku tempo może wzrosnąć nawet do 2,62 milisekundy na sto lat.

Dla człowieka to niezauważalne. Dla geodetów, specjalistów od nawigacji satelitarnej i zegarów atomowych – już nie. Ich systemy zakładają, że Ziemia kręci się w bardzo przewidywalny sposób.

Planeta jak łyżwiarka na lodzie

Żeby zrozumieć mechanizm, badacz porównuje Ziemię do łyżwiarki figurowej. Gdy łyżwiarka przyciąga ręce do ciała, zaczyna obracać się szybciej. Kiedy je rozkłada, ruch zwalnia. Rządzi tym zasada zachowania momentu pędu.

Podobnie dzieje się z naszą planetą. W uproszczeniu:

• gdy dużo lodu zalega przy biegunach, większa część masy znajduje się bliżej osi obrotu – Ziemia kręci się odrobinę szybciej,
• gdy lód topnieje, woda spływa do oceanów i „rozlewa się” bliżej równika – masa oddala się od osi i ruch obrotowy nieznacznie zwalnia.

Właśnie ten drugi scenariusz obserwujemy coraz wyraźniej w erze intensywnego ocieplania klimatu przez działalność człowieka.

Naturalne procesy już nie nadążają

Przez dziesiątki tysięcy lat długość dnia zmieniała się głównie pod wpływem czynników naturalnych: grawitacji Księżyca, ruchów płyt tektonicznych, odkształceń skorupy ziemskiej czy tak zwanego odbicia po ustąpieniu dawnych lądolodów. Te procesy zwykle działają wolno i przewidywalnie.

W poprzednich dekadach ruch ciekłego jądra i płaszcza Ziemi działał w przeciwną stronę niż klimat: przyspieszał obrót planety bardziej, niż topniejący lód go hamował. W efekcie doba wręcz się skracała. Ten delikatny bilans zaczął się jednak przechylać.

Badacze wskazują, że od początku XXI wieku wydłużanie dnia postępuje w tempie, które naturalnym procesom zajęłoby tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy lat.

To tempo wyróżnia obecną epokę na tle geologicznej historii planety. Nie chodzi więc tylko o sam fakt zmiany, ale przede wszystkim o jej szybkość i źródło – działalność człowieka.

Podróż 3,6 miliona lat wstecz

Aby sprawdzić, czy podobne zjawiska zdarzały się w przeszłości, naukowcy sięgnęli do bardzo odległych czasów. Przeanalizowali dane sięgające 3,6 miliona lat w tył, aż do późnej części epoki zwanej pliocenem.

Co mówią skamieniałe drobinki z dna oceanów

Kluczem okazały się mikroskopijne organizmy – otwornice denne. To jednokomórkowe stworzenia, które żyły na dnie mórz i oceanów, a w ich skorupkach zapisała się chemiczna historia dawnych oceanów.

W składzie mineralnym skamieniałych otwornic można odczytać między innymi dawne temperatury wody i poziom morza. A poziom morza mówi, jak rozłożona była masa lodu na Ziemi. Im więcej lodu na biegunach, tym niższe były oceany. Gdy lód topniał, morza rosły.

Zestawiając dane z otwornic z modelami fizyki obrotu Ziemi, naukowcy odtworzyli zmiany długości dnia na przestrzeni 3,6 miliona lat.

Nie wystarczyło jednak samo oglądanie skamieniałości. Dane geologiczne są pełne luk, więc badacze sięgnęli po narzędzie ze współczesnej informatyki: probabilistyczne deep learning.

Sztuczna inteligencja dopowiada brakujące rozdziały

Algorytm AI został wytrenowany tak, by rozpoznawał wzorce w niepełnych zapisach i szacował brakujące fragmenty z określonym poziomem pewności. Na tej podstawie można było bardziej szczegółowo zrekonstruować zmiany poziomu mórz i pośrednio – rozkład masy na Ziemi.

Połączenie skamieniałości, geofizyki i uczenia maszynowego pozwoliło zobaczyć, jak często w historii planety występowało tempo wydłużania dnia podobne do tego, które obserwujemy obecnie.

Jeden podobny epizod w milionach lat

Okazało się, że w ciągu całych 3,6 miliona lat tylko raz zdarzył się okres, gdy dzień wydłużał się w porównywalnym tempie. Miało to miejsce około 2 milionów lat temu, w czasach szczególnie gwałtownych cykli lodowcowych, sterowanych zmianami orbity i nachylenia osi Ziemi.

Różnica jest zasadnicza: w tamtym okresie zmiany rozciągały się na dziesiątki tysięcy lat i wynikały z naturalnej dynamiki Układu Słonecznego. Obecnie efekt zbliżonej skali pojawia się w ciągu zaledwie kilku dekad na skutek emisji gazów cieplarnianych.

Jeśli ludzkość utrzyma dotychczasowy poziom emisji, wpływ klimatu na długość dnia może do końca wieku przewyższyć wpływ Księżyca na ruch obrotowy Ziemi.

Dla laików brzmi to abstrakcyjnie, ale dla naukowców zajmujących się dynamiką Ziemi to znak, że weszliśmy w okres silnego „przesterowania” naturalnych procesów.

Dlaczego kilka milisekund robi różnicę

Zmiana długości dnia o parę milisekund na sto lat nie sprawi, że nagle wyśpimy się lepiej czy zyskamy dodatkową kawę dziennie. Problem pojawia się gdzie indziej: cała współczesna cywilizacja opiera się na niezwykle precyzyjnym pomiarze czasu.

Systemy, które wymagają perfekcyjnego czasu

Wrażliwe na mikroutrudy w czasie są między innymi:

• zegary atomowe – stanowią fundament światowej skali czasu i synchronizują sieci telekomunikacyjne,
• GPS i inne systemy nawigacji satelitarnej – potrzebują dokładności co do nanosekund, by określać położenie z dokładnością do metrów,
• zarządzanie sieciami energetycznymi – wymaga idealnie zsynchronizowanych pomiarów, aby utrzymać równowagę między produkcją a zużyciem prądu,
• handel wysokich częstotliwości na rynkach finansowych – tysiące transakcji w milisekundach, gdzie różnice czasowe potrafią przełożyć się na realne straty,
• sondy i satelity monitorujące klimat i pogodę – opierają się na bardzo dokładnym pozycjonowaniu i czasie.

Gdy Ziemia zwalnia, rzeczywisty czas obrotu zaczyna się powoli rozjeżdżać z czasem liczonym przez zegary atomowe. Żeby to wyrównać, od lat stosuje się tak zwane sekundy przestępne, czyli drobne korekty dopisywane okazjonalnie do oficjalnego czasu.

Jeśli tempo zmian będzie dalej rosło, dodawanie i odejmowanie takich sekund stanie się coraz częstsze i bardziej kłopotliwe. Część systemów informatycznych już miała problemy przy poprzednich korektach, co pokazało, jak wrażliwa jest ta infrastruktura.

Co z tego wynika dla zwykłego człowieka

Na co dzień nie odczujemy, że Ziemia kręci się o ułamek tysięcznej części sekundy wolniej. Znacznie bardziej dotkliwy będzie sam fakt, że to kolejny sygnał pokazujący skalę ingerencji ludzkości w funkcjonowanie planety.

Globalne ocieplenie kojarzy się zwykle z falami upałów, suszami, powodziami, pożarami czy niższymi plonami w rolnictwie. Wydłużający się dzień to mniej spektakularny, ale bardzo wymowny efekt uboczny. Pokazuje, że nie zmieniamy tylko pogody, lecz wpływamy na coś tak fundamentalnego jak ruch obrotowy planety.

Z technicznego punktu widzenia coraz ważniejsze stanie się rozwijanie elastycznych standardów czasu i modernizacja systemów, które muszą działać niezawodnie przy częstszych korektach. To zadanie dla międzynarodowych instytucji zajmujących się czasem, nawigacją i infrastrukturą cyfrową.

Dla debat o klimacie ten temat ma jeszcze inny wymiar. Dodaje kolejny argument do listy konsekwencji spalania paliw kopalnych, który trudno zbyć wzruszeniem ramion. Skoro ocieplenie jest w stanie wyhamować ruch Ziemi w tempie, którego natura praktycznie nie notowała, trudno utrzymywać, że to tylko „naturalne wahania”. Niewidzialne milisekundy stają się kolejnym cichym dowodem na to, jak głęboko przebudowujemy funkcjonowanie naszej planety.