研究發現氣溫升高影響地球自轉軸導致其減速

最近的研究表明，地球的日照時間正在延長，由於冰川融化和含水層枯竭等氣候驅動的變化，這一趨勢正在加速。這些質量分佈的變化不僅改變了地球的軸線，還使地球自轉減速。上個世紀的研究利用先進的測量技術，詳細描述了人類引起的變化是如何加劇這些自然現象的，並對計時和依賴精確時間的技術產生潛在的長期影響。

地球自轉軸的位置在 1900 年至 2023 年間移動了約 30 英尺（10 米）。最近的一項研究發現，極地運動中約 90% 的週期性振盪可以用冰原和冰川融化、地下水減少以及海平面上升來解釋。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

科學家們利用 120 多年的數據，破解了冰層融化、地下水減少和海平面上升是如何影響地球自轉軸和延長白晝的。

地球上的白天正在略微變長，而且這種變化正在加速。究其原因，與在過去 120 年中導致地球自轉軸蜿蜒了約 30 英尺（10 米）的相同機制有關。這些發現來自美國國家航空航天局最近資助的兩項研究，研究重點是與氣候有關的冰和水的重新分佈如何影響了地球的自轉。

當冰原和冰川的融化量超過降雪的增長量，地下蓄水層的地下水流失量超過降水的補充量時，就會發生這種重新分佈。由此產生的質量變化導致地球在自轉過程中搖擺不定，地軸位置發生偏移，這種現象被稱爲極地運動。它們還導致地球自轉速度減慢，表現爲白晝的延長。自 1900 年以來，這兩種現象都有記錄。

爲了清晰起見，該動畫進行了誇張處理，展示了地球自轉軸（橙色顯示）遠離地球地理軸（藍色顯示，代表地球地理南北兩極之間的假想線）的位置時，地球自轉是如何擺動的。圖片來源：美國宇航局科學可視化工作室

通過分析 12 個十年的極地運動，科學家們幾乎將地軸位置的所有周期性擺動都歸因於地下水、冰原、冰川和海平面的變化。根據最近發表在《自然-地球科學》上的一篇論文，20 世紀的質量變化主要源於自然氣候週期。

這些研究人員隨後又合作開展了一項以晝長爲重點的研究。他們發現，自 2000 年以來，白晝每 100 年延長約 1.33 毫秒，比上世紀任何時候都快。究其原因：人類造成的溫室氣體排放加速了冰川以及南極和格陵蘭冰蓋的融化。他們的研究結果於 7 月 15 日發表在《美國國家科學院院刊》上。

兩篇論文的共同作者、美國宇航局南加州噴氣推進實驗室（JPL）的地球物理學家蘇倫德拉-阿迪卡里（Surendra Adhikari）說："兩篇論文的共同點是，地球表面與氣候有關的變化，無論是否由人類造成，都是我們所看到的地球自轉變化的強大驅動力。"

如動畫所示，地球自轉軸的位置在 1900 年至 2023 年間移動了約 30 英尺（10 米）。最近的一項研究發現，極地運動中約 90% 的週期性振盪可以用冰原和冰川融化、地下水減少以及海平面上升來解釋。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

最早，科學家們通過測量恆星的視運動來追蹤極地運動。後來，他們改用超長基線干涉測量法（分析類星體的無線電信號）或衛星激光測距法（將激光對準衛星）。

長期以來，研究人員一直推測，極地運動是地球內部和地表過程的綜合結果。但不太清楚的是，每種過程對地軸的影響有多大，以及每種過程會產生什麼樣的影響--是幾周到幾十年重複發生的週期性運動，還是幾個世紀或幾千年的持續漂移。

在論文中，研究人員使用機器學習算法剖析了 120 年的記錄。他們發現，1900 年至 2018 年間 90% 的反覆波動可以用地下水、冰原、冰川和海平面的變化來解釋。其餘的波動主要來自地球內部的動態變化，比如內核相對於地球主體的傾斜所產生的擺動。

與地表質量變化有關的極地運動模式在 20 世紀大約每 25 年重複出現幾次，研究人員認爲這主要是由於自然氣候變化造成的。過去的一些論文將最近的極地運動與人類活動聯繫起來，其中包括阿迪卡里撰寫的一篇論文，該論文將地軸突然東移（大約從 2000 年開始）歸因於格陵蘭島和南極冰蓋的加速融化以及歐亞大陸的地下水枯竭。

這項研究的重點是過去二十年，在此期間，地下水和冰的質量損失以及海平面的上升--所有這些都是通過衛星測量的--與人類造成的氣候變化有着密切的聯繫。

兩篇論文的第一作者、瑞士蘇黎世聯邦理工大學博士生莫斯塔法-基亞尼-沙赫萬迪（Mostafa Kiani Shahvandi）說："人類活動在一定程度上影響了極地運動。但氣候系統中的自然模式對極地運動振盪有主要影響。"

在第二篇論文中，作者利用 GRACE 任務（Gravity Recovery and Climate Experiment 的縮寫，即重力恢復與氣候實驗）及其後續 GRACE-FO 對質量變化的衛星觀測，以及之前分析地下水、冰原和冰川的變化對 20 世紀海平面上升的貢獻的質量平衡研究，重建了 1900 年至 2018 年這些因素導致的日長變化。

科學家通過歷史上的日食記錄得知，晝長几千年來一直在增長。雖然人類幾乎無法察覺，但由於包括全球定位系統在內的許多現代技術都依賴於精確的計時，因此必須考慮到這一滯後現象。

近幾十年來，冰原融化的速度加快，質量從兩極向赤道海洋轉移。這種平移導致地球減速，白晝延長，就像溜冰者低頭張開雙臂減緩旋轉速度一樣。

作者注意到，就在 2000 年之後，晝長的速度出現了上升，這一變化與獨立觀測到的扁平化現象密切相關。在 2000 年至 2018 年期間，冰和地下水運動導致的日長增加速度爲每百年 1.33 毫秒--比之前 100 年的任何時期都要快，當時的日長增加速度爲每百年 0.3 至 1.0 毫秒。

研究人員指出，在排放量嚴重減少的氣候情景下，冰層和地下水變化導致的時間延長可能會在 2100 年前減慢。(即使今天停止排放，以前釋放的氣體，尤其是二氧化碳，也會在未來幾十年內繼續存在）。

如果排放量繼續增加，氣候變化造成的晝長延長可能會達到每百年 2.62 毫秒，超過月球對潮汐的拉力效應，而月球對潮汐的拉力效應已經使地球的晝長平均每百年增加 2.4 毫秒。這種效應被稱爲月球潮汐摩擦，數十億年來一直是地球晝長增加的主要原因。

阿迪卡里說："在不到 100 年的時間裡，人類已經在很大程度上改變了氣候系統，以至於我們看到了對地球自轉方式的影響。"

編譯自/ScitechDaily