Zmiany klimatyczne wydłużają dobę i rozstrajają zegary całej Ziemi

Topniejące lodowce dosłownie spowalniają obroty naszej planety

Nowe odkrycia geofizysków nie pozostawiają wątpliwości: topniejące lodowce i rosnące poziomy oceanów rzeczywiście hamują rotację Ziemi. Zmiana mierzona jest w tysiącznych częściach sekundy, jednak jej tempo i potencjalne konsekwencje poważnie niepokoją specjalistów zajmujących się precyzyjnym pomiarem czasu.

Przez wiele dziesięcioleci obserwacje wskazywały, że doba nieznacznie się skracała. Teraz tendencja odwróciła się o 180 stopni. Zespół naukowców publikujący w Journal of Geophysical Research: Solid Earth udowadnia, że długość doby zaczęła rosnąć — w tempie niemal niespotykanym w geologicznej historii Ziemi.

Według szacunków badaczy doba wydłuża się obecnie o około 1,33 milisekundy na każde sto lat, głównie wskutek działalności człowieka. Na pierwszy rzut oka wydaje się to błahostką. Problem leży jednak gdzie indziej: tak gwałtowna zmiana rotacji planety w tak krótkim czasie nie powinna w ogóle zachodzić bez udziału bardzo silnego czynnika zewnętrznego.

Naukowcy z różnych uczelni są zgodni — globalne ocieplenie ingeruje w mechanizm, który przez miliony lat działał praktycznie bez zakłóceń. Rozkład mas wodnych na planecie zmienia się szybciej niż kiedykolwiek w niedawnej przeszłości. Kiedy woda przemieszcza się z obszarów polarnych w kierunku równika, zmienia się moment bezwładności Ziemi, a jej rotacja ulega spowolnieniu.

Efekt łyżwiarki figurowej w skali planetarnej

Naukowcy tłumaczą to zjawisko za pomocą prostej analogii z lodowiska. Gdy łyżwiarka figurowa przyciąga ramiona do ciała, zaczyna się kręcić szybciej. Gdy je rozkłada na boki — zwalnia. Wynika to z zasady zachowania momentu pędu: masa skupiona bliżej osi obrotu przyspiesza ruch, masa rozmieszczona dalej — go spowalnia.

Z Ziemią dzieje się dziś coś bardzo podobnego. Gdy lodowce i lód morski są rozległe, ogromna masa wody pozostaje skoncentrowana bliżej biegunów. Gdy lód topnieje, ta masa wędruje do oceanów i przemieszcza się ku niższym szerokościom geograficznym. W efekcie rośnie moment bezwładności planety, a jej rotacja delikatnie zwalnia.

Do tej pory podobne zmiany zachodziły niezwykle powoli i były wynikiem naturalnych procesów: oddziaływania Księżyca, ruchów płyt tektonicznych, powolnych deformacji skorupy ziemskiej czy wahań samego jądra planety. To geologiczne tło działało jednak zazwyczaj w odwrotnym kierunku — raczej przyspieszało rotację, niż ją hamowało.

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology i innych instytucji udokumentowali, że od roku 2000 tempo zmian dramatycznie przyspieszyło. W bazach danych zapisów geologicznych nie znaleźli żadnej porównywalnej zmiany w tak krótkim przedziale czasowym. Odkrycie to opublikowali po analizie danych z satelitów GRACE i GRACE-FO, monitorujących pole grawitacyjne Ziemi.

Co zdradzają skały sprzed milionów lat

Aby ocenić wyjątkowość obecnego momentu, badacze cofnęli się w czasie aż o 3,6 miliona lat — do epoki pliocenu. Nie dysponowali oczywiście bezpośrednimi pomiarami z tamtych czasów, sięgnęli więc po „archiwa” zapisane w skałach i skamieniałościach.

W centrum uwagi znalazły się mikroskopijne organizmy — bentyczne otwornice zamieszkujące niegdyś dna oceanów. Ich skorupki zawierają pierwiastki, których proporcje zmieniały się w zależności od poziomu mórz. Im więcej wody było uwięzione w lodowcach, tym niższy był poziom oceanów. Gdy lód topniał — morza wznosiły się.

Analiza składu chemicznego takich skamieniałości z kolejnych warstw geologicznych pozwoliła zrekonstruować:

• jak zmieniały się poziomy mórz w poszczególnych epokach
• co działo się z pokrywami lodowymi Grenlandii i Antarktyki
• jak ta zmiana rozkładu masy wpływała na rotację Ziemi
• jaka była rzeczywista długość doby miliony lat temu
• które okresy wykazywały tempo zmian zbliżone do współczesnego
• jaka była różnica między czynnikami naturalnymi a antropogenicznymi

Dane z przeszłości są siłą rzeczy niekompletne. Tu do gry weszły nowoczesne narzędzia matematyczne. Zespół zastosował algorytm głębokiego uczenia, który „uczył się” prawidłowości w znanych fragmentach zapisu, a następnie z określonym prawdopodobieństwem uzupełniał brakujące okresy. Dzięki temu udało się odtworzyć ewolucję długości doby w perspektywie obejmującej kilka milionów lat.

Naukowcy z University of California przeanalizowali osady z Oceanu Spokojnego i Atlantyku. W całej tej ogromnej bazie danych znaleźli tylko jeden epizod porównywalny z obecnym tempem wydłużania doby. Miał on miejsce około 2 miliony lat temu, gdy Ziemia wkraczała w okres silnych wahań klimatycznych związanych z naturalnymi cyklami orbitalnymi.

Dlaczego obecna zmiana nie ma odpowiednika w niedawnej historii

Pokrywy lodowcowe rozszerzały się i kurczyły wówczas w rytmie trwającym dziesiątki tysięcy lat. W efekcie masa wody przemieszczała się między biegunami a resztą planety, co rzeczywiście spowalniało rotację. Różnica polega na tym, że tamten proces zachodził w bardzo długich cyklach astronomicznych, podczas gdy obecny napędzamy my sami — w czasie liczonym w dekadach.

Autorzy badania podkreślają, że od początku XXI wieku doszło do czegoś bezprecedensowego w skali ludzkiej cywilizacji. W ciągu zaledwie dwóch dekad długość doby zaczęła rosnąć w tempie, do którego naturalne czynniki potrzebowałyby całych tysiącleci.

Naukowcy mówią wprost: obecna anomalia ma charakter antropogeniczny — wynika z działalności człowieka i emisji gazów cieplarnianych. Oznacza to, że klimat przestał jedynie „współtworzyć” naturalne wahania. Stał się głównym aktorem zmieniającym sposób, w jaki nasza planeta się obraca. Do tego stopnia, że tempo wydłużania doby porównywalne z obecnym badacze znaleźli tylko raz w historii ostatnich 3,6 miliona lat.

Jeśli emisje gazów cieplarnianych utrzymają się na obecnym poziomie, naukowcy szacują, że do końca XXI wieku tempo wydłużania doby może wzrosnąć do około 2,62 milisekundy na stulecie. To wartość większa niż wpływ Księżyca na rotację naszej planety.

Z perspektywy codziennego życia te milisekundy są niezauważalne. Z perspektywy technologii, na których opiera się cywilizacja, to już zupełnie inna historia. Klimatolodzy z Goddard Institute for Space Studies ostrzegają, że efekty będą się kumulować szybciej, niż pierwotnie zakładano.

Kiedy zegary atomowe przestaną zgadzać się z rotacją planety

Współczesny świat funkcjonuje dzięki temu, że niemal wszystko posiada wspólny, precyzyjny punkt odniesienia w czasie. Sieci komputerowe, internet, satelity, rynki finansowe — wszędzie kluczowe są ułamki sekund. Ich podstawą są zegary atomowe zsynchronizowane globalnie i powiązane z tak zwanym koordynowanym czasem uniwersalnym UTC.

Nawet minimalne odchylenie między czasem atomowym a rzeczywistą rotacją Ziemi może wymagać kosztownych korekt w całej cyfrowej infrastrukturze. Dotychczas rozwiązaniem były tak zwane sekundy przestępne dodawane od czasu do czasu, aby „nadganiać” zmieniające się tempo obrotu globu. Skala zakłóceń opisywana w nowych badaniach sugeruje, że w przyszłości takie korekty mogą okazać się niewystarczające lub trudne do zastosowania w obecnej formie.

Potencjalne konsekwencje odczują między innymi:

• systemy GPS i inne nawigacje satelitarne wymagające niezwykle precyzyjnej synchronizacji
• sieci energetyczne balansujące w czasie rzeczywistym produkcję i zużycie energii elektrycznej
• komunikacja satelitarna oraz obserwacje klimatyczne z orbity wymagające nowych kalibracji
• algorytmy giełdowe przeprowadzające transakcje w milisekundach

Inżynierowie z European Space Agency pracują już nad systemami zdolnymi do automatycznej kompensacji tych zmian. Naukowcy uspokajają, że skumulowane problemy pojawią się raczej w odleglejszej przyszłości niż za życia obecnych pokoleń. Nie zmienia to faktu, że już dziś należy uwzględniać te zmiany przy projektowaniu systemów mających działać niezawodnie przez dziesięciolecia.

Milisekundy jako ostrzeżenie dla przyszłych pokoleń

Spowolnienie rotacji Ziemi łatwo zbagatelizować jako „kosmiczny szczegół” interesujący wyłącznie geofizysków. Takie podejście prowadzi jednak do błędnego wniosku, że mamy do czynienia jedynie z naukową ciekawostką. W rzeczywistości jest to kolejny bardzo wyraźny sygnał, jak głęboko ludzkość ingeruje w funkcjonowanie całej planety.

Przebudowujemy nie tylko klimat, ale również rozkład masy na Ziemi, jej ruch i zegary, według których wyznaczany jest czas. Przyszłe pokolenia będą musiały zarządzać coraz bardziej złożoną infrastrukturą czasową dostosowaną do planety, która nie obraca się już tak jak w XX wieku.

Z praktycznego punktu widzenia każdy kolejny stopień ocieplenia oznacza nie tylko ekstremalne zjawiska pogodowe i migracje milionów ludzi z zalewanych obszarów. To także seria cichych, trudno odwracalnych przesunięć w samym „mechanizmie” Ziemi. Wpływ na długość doby jest jednym z nich — niewidocznym na zegarku, lecz bardzo wyraźnym w danych naukowych. Pozostaje mieć nadzieję, że te sygnały zdołamy potraktować poważnie na czas i odpowiednio dostosować nasze działania.