Зміна клімату сповільнює обертання Землі

Танення полярного льоду через зміну клімату перерозподіляє масу Землі, уповільнює її обертання та трохи подовжує день, як підкреслюють дослідження ETH Zurich за підтримки NASA. Це свідчить про більший вплив людини на динаміку обертання Землі, ніж вважалося раніше.

Зміна клімату призводить до танення льоду в Гренландії та Антарктиді. У результаті вода з цих полярних областей стікає у світовий океан, особливо в екваторіальний регіон. «Це означає, що відбувається зміна маси, і це впливає на обертання Землі», — пояснює Бенедикт Соя, професор космічної геодезії на кафедрі цивільної, екологічної та геоматичної інженерії ETH Zurich.

«Це схоже на те, як фігуристка робить пірует, спочатку тримаючи руки біля тіла, а потім витягуючи їх», — каже Соя. Спочатку швидке обертання стає повільнішим, оскільки маси віддаляються від осі обертання, збільшуючи фізичну інерцію. У фізиці ми говоримо про закон збереження моменту імпульсу, і цей самий закон також керує обертанням Землі. Якщо Земля обертається повільніше, дні стають довшими. Таким чином, зміна клімату також змінює тривалість дня на Землі, хоча й мінімально.

За підтримки американського космічного агентства NASA дослідники ETH з групи Soja опублікували два нових дослідження в журналах Nature Geoscience та Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) про те, як зміна клімату впливає на рух полюсів і тривалість дня.

Зміна клімату перевершує вплив Місяця

У дослідженні PNAS дослідники ETH Zurich показують, що зміна клімату також збільшує тривалість дня на кілька мілісекунд із поточних 86 400 секунд. Це тому, що вода тече від полюсів до нижчих широт, таким чином уповільнюючи швидкість обертання.

Іншою причиною цього уповільнення є приливне тертя, яке викликає Місяць. Однак нове дослідження прийшло до дивовижного висновку: якщо люди продовжуватимуть викидати більше парникових газів і Земля відповідно нагріється, це зрештою матиме більший вплив на швидкість обертання Землі, ніж вплив Місяця, який визначив збільшення тривалість дня протягом мільярдів років. «Ми, люди, маємо більший вплив на нашу планету, ніж ми собі уявляємо, — підсумовує Соджа, — і це, природно, покладає на нас велику відповідальність за майбутнє нашої планети».

Вісь обертання Землі зміщується

Однак зміни маси на поверхні Землі та в їїсередині, спричинені таненням льоду, не лише змінюють швидкість обертання Землі та тривалість дня: як показують дослідники в Nature Geoscience , вони також змінюють вісь обертання. Це означає, що точки, де вісь обертання фактично зустрічається з поверхнею Землі, рухаються. Дослідники можуть спостерігати цей полярний рух, який протягом більш тривалого періоду часу досягає приблизно десяти метрів на сто років. Тут відіграє роль не лише танення крижаних покривів, а й рухи, що відбуваються в надрах Землі. Глибоко в мантії Землі, де порода стає в’язкою через високий тиск, зміщення відбуваються протягом тривалих періодів часу. Існують також теплові потоки в рідкому металі зовнішнього ядра Землі, які відповідають як за створення магнітного поля Землі, так і за зміщення маси.

У найповнішому моделюванні на сьогодні Соджа та його команда показали, як полярний рух є результатом окремих процесів у ядрі, мантії та клімату на поверхні. Їхнє дослідження нещодавно було опубліковано в журналі Nature Geoscience. «Вперше ми представляємо повне пояснення причин довгоперіодичного руху полюсів», — каже Мостафа Кіані Шахванді, один із докторантів Soja та провідний автор дослідження. «Іншими словами, тепер ми знаємо, чому і як вісь обертання Землі рухається відносно земної кори».

Один висновок особливо виділяється в їх дослідженні в Nature Geoscience : що процеси на Землі та в ній взаємопов’язані та впливають один на одного. «Зміна клімату спричиняє переміщення осі обертання Землі, і, схоже, зворотний зв’язок від збереження кутового моменту також змінює динаміку ядра Землі», — пояснює Соя. Кіані Шахванді додає: «Поточні зміни клімату можуть навіть впливати на процеси глибоко всередині Землі та мати більший вплив, ніж передбачалося раніше». Однак немає причин для занепокоєння, оскільки ці ефекти незначні, і малоймовірно, що вони становлять ризик.

Фізичні закони в поєднанні зі штучним інтелектом

Для свого дослідження руху полюсів дослідники використовували так звані нейронні мережі з фізичною інформацією. Це новітні методи штучного інтелекту (ШІ), у яких дослідники застосовують закони та принципи фізики для розробки особливо потужних і надійних алгоритмів машинного навчання . Кіані Шахванді отримав підтримку від Сіддхартхи Мішри, професора математики в ETH Zurich, який у 2023 році отримав премію Rössler від ETH Zurich, найбільшу нагороду університету за дослідження, і який є фахівцем у цій галузі.

Алгоритми, розроблені Кіані Шахванді, вперше дозволили зафіксувати всі різні ефекти на поверхні Землі, в її мантії та ядрі, а також змоделювати їх можливу взаємодію. Результат розрахунків показує, як змінювалися полюси обертання Землі з 1900 року. Ці модельні значення чудово узгоджуються з реальними даними, наданими астрономічними спостереженнями в минулому та супутниками за останні тридцять років, що означає, що вони також дозволяють прогнозувати для майбутнього.

Важливий для космічних подорожей

«Навіть якщо обертання Землі змінюється повільно, цей ефект слід враховувати під час навігації в космосі, наприклад, коли ви відправляєте космічний зонд на іншу планету», — каже Соджа. Навіть незначне відхилення лише в один сантиметр на Землі може зрости до відхилення в сотні метрів на величезних відстанях. «Інакше неможливо буде приземлитися в конкретному кратері на Марсі », — каже він.