Zmiany klimatu spowalniają obrót Ziemi. Naukowcy ostrzegają przed skutkami dla GPS i technologii

Ziemia lekko zwalnia, a my praktycznie tego nie czujemy.

Czują to za to satelity, GPS i superdokładne zegary.

Najnowsze analizy geofizyków pokazują, że nasza planeta kręci się coraz wolniej, a tempo tego hamowania wyraźnie rośnie w ostatnich dekadach. Winny jest przede wszystkim współczesny klimat i gwałtowna utrata lodu na biegunach. To zjawisko nie jest abstrakcyjną ciekawostką – może przełożyć się na sposób działania nawigacji, sieci telekomunikacyjnych i precyzyjnych systemów pomiarowych.

Dlaczego Ziemia nagle zwalnia? Klucz tkwi w topniejącym lodzie

W codziennym życiu obrót Ziemi wydaje się absolutnie stabilny: dzień trwa 24 godziny, słońce wschodzi i zachodzi jak zawsze. Gdy przyjrzymy się temu ruchowi z użyciem superczułych satelitów i metod geodezyjnych, obraz staje się mniej spokojny. Długość dnia powoli rośnie, a ostatnie lata wyraźnie wyłamują się z naturalnego rytmu znanego z odległej przeszłości geologicznej.

Główna przyczyna ma zaskakująco „ziemski” charakter. Pokrywy lodowe Grenlandii i Antarktydy topnieją w tempie niewidzianym w historii współczesnej Ziemi. Biliony ton wody, które dotąd były uwięzione w lodzie, spływają do oceanów. Ta woda nie zostaje tam, gdzie była – masa przesuwa się od biegunów w stronę szerokości umiarkowanych i pasa równikowego.

Z fizycznego punktu widzenia działa tu prosta zasada znana z lodowiska. Gdy łyżwiarka przy piruecie przyciąga ręce do ciała, obraca się szybciej. Gdy je rozkłada na boki – zwalnia. Ziemia robi dziś coś bardzo podobnego:

• masa z biegunów przesuwa się ku równikowi,
• planeta staje się minimalnie bardziej „wybrzuszona” w okolicach równika,
• moment bezwładności rośnie,
• a prędkość obrotu nieznacznie maleje.

To zjawisko nie jest całkowitą nowością. Lód topniał i narastał wiele razy w historii klimatu. Różnica polega na skali i tempie: współczesne tempo przesuwania masy jest tak wysokie, że badacze mówią o sytuacji bez precedensu w ostatnich milionach lat.

Zmiany klimatu stały się tak silnym czynnikiem, że zaczynają wpływać nie tylko na pogodę i poziom morza, lecz na samą mechanikę ruchu Ziemi.

Rekonstrukcja 3,6 mln lat: nigdy dotąd dni nie wydłużały się tak szybko

Aby ocenić, jak wyjątkowe jest obecne hamowanie, zespół naukowców z ośrodków w Europie sięgnął do bardzo odległej przeszłości. Odtworzyli przebieg zmian klimatycznych i długości dnia aż 3,6 miliona lat wstecz, czyli do późnego pliocenu. To okres, gdy klimat był cieplejszy niż dziś, poziom mórz wyższy, a lodowce także przechodziły potężne fazy recesji.

Kluczem do tej układanki okazały się mikroskopijne organizmy – foraminifery bentoniczne. Te jednokomórkowce żyjące na dnie oceanów budują wapienne skorupki, które opadają na dno i z czasem stają się częścią osadów. Ich skład chemiczny i uwarstwienie niosą w sobie zapis dawnych warunków klimatycznych i orbitalnych.

Analizując te skamieniałe skorupki i porównując dane z precyzyjnymi modelami astronomicznymi, badacze byli w stanie zrekonstruować, jak zmieniała się długość dnia w przeszłości. Wynik jest bardzo niepokojący:

Z wyliczeń opublikowanych w branżowym czasopiśmie geofizycznym wynika, że średnia długość dnia rośnie dziś o około 1,33 milisekundy na stulecie. Liczba wygląda skromnie, ale w tej skali to bardzo duży skok. Wartość ta przewyższa wszystkie naturalne wahania, które występowały w badanym okresie 3,6 miliona lat.

Co istotne, aktualne tempo wydłużania dnia jest mniej więcej dwukrotnie wyższe niż w szczytowych fazach naturalnego topnienia lodu po epokach lodowcowych. Innymi słowy: nawet najgorętsze okresy niedawnej historii geologicznej nie hamowały obrotu Ziemi tak mocno, jak czyni to współczesna działalność człowieka.

Obecne hamowanie obrotu Ziemi jest szybsze niż w jakimkolwiek znanym okresie ocieplenia klimatu z ostatnich kilku milionów lat.

Prognozy do końca wieku: klimat przegoni Księżyc

Od dawna wiadomo, że Ziemia stopniowo zwalnia także przez oddziaływanie grawitacyjne Księżyca. Pływy morskie „kradną” część energii obrotowej planety i zamieniają ją w ciepło. Do tej pory to właśnie pływy stanowiły główny czynnik odpowiedzialny za wielkoskalowe wydłużanie się dnia.

Nowe symulacje sugerują, że jeśli emisje gazów cieplarnianych utrzymają się na wysokim poziomie, do końca XXI wieku wkład klimatu w hamowanie obrotu może dorównać, a nawet przewyższyć wkład pływów księżycowych. Oznacza to jakościową zmianę: człowiek staje się jednym z głównych aktorów w procesie, który dotąd kształtowały wyłącznie zjawiska astronomiczne i wewnętrzna dynamika planety.

GPS, satelity, zegary atomowe: gdzie zaczynają się problemy

Zmiany rzędu milisekund na stulecie nie robią różnicy w naszym codziennym odczuciu czasu. Trudno też sobie wyobrazić, aby ktoś spóźnił się przez to na pociąg. Inaczej wygląda sytuacja w świecie zaawansowanych technologii, gdzie liczy się każda mikrosekunda.

GPS liczy na absolutną zgodność czasu

System GPS i inne podobne technologie pozycjonowania działają dzięki dokładnym pomiarom czasu, jaki potrzebuje sygnał radiowy, by dotrzeć z satelity do odbiornika. Zegary atomowe na pokładzie satelitów są zsynchronizowane z czasem wzorcowym na Ziemi. Jeśli zegary „rozjadą się” choćby o ułamek milisekundy, pojawia się błąd w wyznaczeniu pozycji.

Spowolnienie obrotu Ziemi sprawia, że czas obrotowy planety zaczyna coraz bardziej odjeżdżać od skali czasu atomowego, który jest definicyjnie bardzo stabilny. Żeby utrzymać spójność, organizacje odpowiedzialne za międzynarodowe standardy czasu co jakiś czas dopisują do zegarów tak zwaną sekundę przestępną. To drobna korekta, ale dla systemów komputerowych bywają to nerwowe momenty.

Dla satelitów nawigacyjnych różnica między ruchem Ziemi a czasem atomowym to nie kosmetyka. Bez korekt każdy sygnał GPS byłby stopniowo coraz mniej dokładny.

Orbity satelitów i misje naukowe

Agencje kosmiczne w swoich obliczeniach muszą brać pod uwagę nie tylko grawitację i opór atmosfery, lecz także drobne zmiany w ruchu obrotowym planety. Gdy zmienia się rozkład masy wewnątrz Ziemi i w jej oceanach, minimalnie modyfikuje się także pole grawitacyjne. Satelita, który okrąża naszą planetę wielokrotnie w ciągu doby, „widzi” te różnice w postaci małych odchyleń od planowanej trajektorii.

Dla wielu misji naukowych – mierzących na przykład deformacje lądolodów, poziom mórz czy kształt geoidy – te odchylenia nie mogą zostać zignorowane. Trzeba je uwzględniać w modelach, inaczej dane przestają się zgadzać. Wraz ze wzrostem wpływu zmian klimatycznych na ruch Ziemi rośnie też lista poprawek, które trzeba wprowadzać do takich obliczeń.

Globalna skala sekund przestępnych

Od początku lat 70. organizacje zajmujące się oficjalnym odmierzaniem czasu dodały kilkadziesiąt sekund przestępnych, aby zegary atomowe nie oderwały się zbytnio od czasu obrotowego planety. Do tej pory praktyka ta była zarządzalna, choć stwarzała problemy informatykom i operatorom sieci telekomunikacyjnych.

Gdy spowolnienie staje się mniej regularne i mocniej zależne od procesu, który sam jest chaotyczny – czyli od klimatu – przewidywanie terminów kolejnych korekt staje się trudniejsze. To oznacza więcej pracy dla twórców oprogramowania, administratorów serwerów, twórców protokołów synchronizacji czasu i całego sektora, który bazuje na precyzyjnym tykaniu zegara.

Co jeszcze może się zmienić w głębi planety

Badacze nie ograniczają się do analizy samych milisekund. Modyfikacja rozkładu masy na Ziemi pociąga za sobą szereg pytań o inne procesy geofizyczne. Topniejący lód, zmiana ciśnienia na dnie oceanów i przemieszczenie się ogromnych ilości wody mogą w dłuższym horyzoncie wpływać na:

• stabilność osi obrotu i tzw. wędrówkę biegunów,
• przepływ prądów oceanicznych w głębi basenów morskich,
• pracę płaszcza Ziemi, który reaguje na odciążenie lądolodów,
• kształt i dynamikę pola magnetycznego generowanego w jądrze.

Nie chodzi o to, że zmieni się wszystko naraz i gwałtownie. Raczej o powolne, ale coraz wyraźniejsze przesunięcie parametrów, które do niedawna wydawały się niemal stałe w skali ludzkiego życia. Dla geofizyki to unikalne „laboratorium w czasie rzeczywistym”, pokazujące, jak czuły jest system Ziemi na wymuszenia ze strony klimatu.

Co to znaczy dla zwykłego człowieka i na co zwracają uwagę naukowcy

Przeciętny użytkownik smartfona nie zauważy, że doba ma nie 86 400, lecz 86 400,001 milisekundy. Konsekwencje pojawiają się dopiero wtedy, gdy te drobne różnice kumulują się przez dziesięciolecia i zaczynają wchodzić w konflikt z systemami, które wymagają prawie absolutnej precyzji.

Inżynierowie starają się ograniczać podatność technologii na takie wstrząsy. Duża część ryzyka leży dziś nie tyle w samej fizyce, co w „szwach” łączących różne systemy: bankowe, telekomunikacyjne, energetyczne i nawigacyjne. Gdy każdy z nich inaczej zareaguje na kolejną korektę czasu, pojawiają się błędy trudne do wychwycenia.

Dla klimatologów i geofizyków spowalnianie obrotu jest jeszcze jednym argumentem, że wpływ społeczeństw na planetę sięga głębiej, niż do niedawna sądzono. Nie chodzi już tylko o temperaturę powietrza czy topnienie lodowców, ale o zmianę parametrów ruchu całego globu. To mocny sygnał, że energia pompowana do systemu klimatycznego poprzez emisje gazów cieplarnianych odbija się w miejscach, których wcześniej nikt z klimatem nie kojarzył.

Warto przy tym pamiętać, że procesy geofizyczne reagują z opóźnieniem. Nawet gdyby emisje nagle spadły, lód i oceany będą jeszcze przez długi czas dostosowywać się do dotychczasowego ocieplenia. Z punktu widzenia ruchu obrotowego oznacza to, że część skutków już „zaklepaliśmy” i trzeba będzie się do nich technologicznie dostosować. Dyskusja o przyszłości systemów czasu, GPS i standardów nawigacji będzie zatem coraz częściej pojawiać się nie tylko w środowisku naukowym, lecz także wśród inżynierów i decydentów odpowiedzialnych za infrastrukturę krytyczną.