Zmiany klimatu hamują obrót Ziemi. Naukowcy biją na alarm

Globalne ocieplenie nie tylko topi lody i podnosi poziom mórz.

Coraz wyraźniej ingeruje też w sam sposób, w jaki obraca się nasza planeta.

Nowe analizy pokazują, że Ziemia zwalnia szybciej, niż działo się to w ciągu ostatnich 3,6 mln lat. Ten z pozoru abstrakcyjny efekt ma bardzo konkretne konsekwencje – od systemów GPS po najdokładniejsze zegary, na których opiera się cała współczesna infrastruktura cyfrowa.

Topniejące lody przesuwają masę planety jak w łyżwiarstwie figurowym

Na co dzień wydaje się, że długość dnia jest stała. W rzeczywistości Ziemia reaguje na każdą większą zmianę rozkładu masy na swojej powierzchni. Najsilniejszy wpływ ma dziś gwałtowna utrata lodu na biegunach.

Gdy lądolody Grenlandii i Antarktydy topnieją, ogromne ilości wody trafiają do oceanów. Nie zostają jednak tam, gdzie wcześniej leżał lód. Przemieszczają się w stronę rejonów równikowych, gdzie grawitacja i ruch obrotowy „wypycha” wodę na zewnątrz, niczym delikatne rozdęcie planety w jej „talii”.

Fizyka tego procesu jest dobrze znana sportowcom. Łyżwiarka, która rozkłada ręce, zaczyna obracać się wolniej, bo zwiększa moment bezwładności ciała. Z Ziemią dzieje się to samo: masa rozkłada się dalej od osi obrotu, więc prędkość obrotowa spada, a dzień wydaje się minimalnie dłuższy.

Im więcej wody przesunie się z biegunów w stronę równika, tym wyraźniej planeta spowalnia swój obrót, a zmiana ta przestaje mieścić się w naturalnych, znanych z przeszłości granicach.

Satellity geodezyjne potwierdzają ten mechanizm z niezwykłą dokładnością. Ich pomiary grawitacji wykazują, że środek ciężkości Ziemi stopniowo się przemieszcza, a równik delikatnie „pęcznieje” kosztem kurczących się rezerw lodu na biegunach.

3,6 mln lat historii w mikroskopijnych skamieniałościach

Aby sprawdzić, czy tak szybkie spowolnienie obrotu miało już kiedyś miejsce, naukowcy z Wiednia i Zurychu sięgnęli po bardzo nietypowe archiwa – skamieniałe drobne organizmy morskie zwane foraminiferami.

Te jednokomórkowe stworzenia żyją na dnie oceanów i budują wapienne skorupki. Zbierają w nich ślady warunków panujących w wodzie, a po obumarciu opadają na dno i przez miliony lat gromadzą się w kolejnych warstwach osadów. To coś w rodzaju naturalnego dysku twardego dla geologów i klimatologów.

Analizując skład chemiczny tych mikroskopijnych szczątków, badacze odtworzyli zmiany klimatu sięgające 3,6 mln lat wstecz, czyli do późnego pliocenu. Następnie porównali te dane z obliczeniami ruchu orbitalnego Ziemi i długości dnia w przeszłości.

Dzień wydłuża się dziś w bezprecedensowym tempie

Wynik tego porównania zaskoczył nawet specjalistów. Według opublikowanych danych długość dnia rośnie obecnie w tempie około 1,33 milisekundy na każde sto lat. Brzmi jak nic, ale na skali geologicznej to bardzo gwałtowna zmiana.

Tempo wydłużania się dnia jest obecnie mniej więcej dwukrotnie większe niż w najgorętszych okresach naturalnych zlodowaceń i odlodzeń w ciągu ostatnich milionów lat.

Oznacza to, że żaden znany z przeszłości „gorący” epizod klimatyczny nie wywołał tak mocnego efektu na ruch obrotowy Ziemi, jak obecne, antropogeniczne ocieplenie. Dla geofizyków to wyraźny sygnał, że działalność człowieka stała się jednym z głównych czynników kształtujących mechanikę planety.

Modele wskazują też, że proces dopiero nabiera rozpędu. Jeśli emisje gazów cieplarnianych pozostaną wysokie, tempo wydłużania się dnia może pod koniec stulecia wzrosnąć nawet dwukrotnie. W takiej sytuacji klimat stanie się ważniejszym hamulcem obrotu niż dobrze znane oddziaływania pływowe Księżyca.

Co ma wspólnego wydłużający się dzień z GPS-em w telefonie

Dla zwykłego człowieka różnica rzędu milisekund na stulecie jest całkowicie niewyczuwalna. Dla systemów technologicznych, które działają w skali nanosekund, to już poważne wyzwanie.

GPS opiera się na ultradokładnym pomiarze czasu. Zegary atomowe umieszczone w satelitach wysyłają sygnał, a odbiornik w smartfonie lub samochodzie wylicza pozycję na podstawie opóźnienia tych sygnałów. Każda miniaturowa rozbieżność w definicji „sekundy” czy długości doby przekłada się na błąd położenia na mapie.

Zmieniająca się prędkość obrotu Ziemi wymusza ciągłe poprawki. Agencje kosmiczne i instytuty czasu śledzą zmiany z dokładnością do ułamków milisekundy. Bez takich korekt nawarstwiające się błędy mogłyby po latach sięgnąć kilometrów, a nie metrów.

Im dłużej trwa era satelitów i globalnych systemów nawigacji, tym bardziej ludzka infrastruktura cyfrowa staje się wrażliwa na subtelne „kaprysy” ruchu obrotowego Ziemi.

Problemy z sekundą przestępną

Od 1972 roku międzynarodowe instytucje od czasu do czasu dodają tak zwaną sekundę przestępną. To dodatkowy tik zegara atomowego, który ma wyrównać różnicę między idealnie równym czasem atomowym a nieco „nierówną” rotacją Ziemi.

Przez długi czas dało się ten proces dość łatwo przewidywać. Dziś staje się o wiele bardziej chaotyczny. Nieregularne tempo spowalniania planety sprawia, że ustalenie odpowiedniego momentu na dodanie lub ewentualne odjęcie sekundy robi się bardzo skomplikowane.

Dla zwykłych zegarków to detal, ale dla serwerowni, sieci finansowych, systemów sterowania lotami czy wielkich baz danych – kolejny punkt ryzyka. Część branży IT od lat domaga się porzucenia sekund przestępnych, bo każda taka ingerencja oznacza potencjalne błędy w oprogramowaniu i synchronizacji.

Orbity satelitów też czują zmianę

Obrót Ziemi wpływa nie tylko na czas, lecz także na trajektorie obiektów umieszczonych wokół niej. Gdy zmienia się rozkład masy planety, delikatnej korekty wymagają również orbity satelitów.

Agencje kosmiczne muszą więc brać pod uwagę spowalnianie rotacji w długoterminowych symulacjach. Bez uwzględnienia nowych danych, po kilkunastu czy kilkudziesięciu latach misje naukowe mogłyby przestać dostarczać precyzyjnych pomiarów, a niektóre satelity łatwiej wpadałyby na nieplanowane trajektorie, przyspieszając choćby wejście w atmosferę.

• systemy nawigacji satelitarnej wymagają częstszej kalibracji,
• planowanie startów i manewrów orbitalnych musi uwzględniać aktualny model Ziemi,
• sieci energetyczne i komunikacyjne zależą od idealnego zgrania zegarów,
• większa liczba korekt zwiększa koszty długich misji kosmicznych.

Zmiana obrotu to także sygnał dla geofizyków

Spowolnienie obrotu planety jest dla naukowców czymś w rodzaju wskaźnika łączącego procesy zachodzące w wielu warstwach Ziemi. Gdy przesuwa się masa w oceanach, zmienia się też nieco kształt planety i rozkład sił wewnątrz jej wnętrza.

Badacze sprawdzają teraz, jak ten efekt wpływa na:

Choć te procesy zachodzą niezwykle wolno, ich skumulowany efekt w perspektywie setek czy tysięcy lat może znacząco przebudować mapę klimatyczną i geologiczną Ziemi.

Co właściwie znaczy „dłuższy dzień” i czy mamy się czego bać

Wydłużenie doby o milisekundy nie sprawi, że nagle zyskamy czas na dodatkową kawę. W praktyce ludzkie zmysły nie wychwycą tak małej zmiany. Problem leży gdzie indziej: w tym, że nasza cywilizacja oparła się na założeniu, iż ruch obrotowy Ziemi jest dostatecznie stabilny, by można było na nim budować globalne systemy.

Każde odstępstwo od tej stabilności wymusza kosztowne poprawki – w infrastrukturze satelitarnej, telekomunikacji, lotnictwie czy finansach. Im bardziej skomplikowana staje się ta sieć, tym większej precyzji wymaga jej utrzymanie.

Drugie zagrożenie jest mniej techniczne, a bardziej symboliczne. Historia obrotu Ziemi zapisuje się w skałach i mikroskamieniałościach. Gdy naukowcy widzą, że człowiek w ciągu kilkuset lat zmienił to, czego natura nie zmodyfikowała w takim tempie przez miliony lat, dostajemy dość brutalne przypomnienie o skali naszego wpływu na funkcjonowanie całej planety.

Dla wielu badaczy rotacja staje się więc kolejnym argumentem w dyskusji o ograniczeniu emisji. Nie chodzi już wyłącznie o pogodę, pożary czy susze. Zmiany klimatyczne zaczynają sięgać bardzo głęboko, aż po mechanikę obrotu planety, na której próbujemy utrzymać coraz bardziej wymagającą, cyfrową cywilizację.