Исследователи использовали данные, собранные за более чем 120 лет, чтобы понять, как таяние льда, истощение грунтовых вод и повышение уровня морей влияют на ось вращения планеты и увеличивают продолжительность дня.
Дни на Земле становятся немного длиннее, и это изменение ускоряется. Причина связана с теми же механизмами, которые также заставили ось планеты сместиться примерно на 30 футов (10 метров) за последние 120 лет. Результаты получены в ходе двух недавних исследований, финансируемых NASA, которые были сосредоточены на том, как перераспределение льда и воды, связанное с климатом, повлияло на вращение Земли.
Это перераспределение происходит, когда ледяные щиты и ледники тают больше, чем растут от снегопадов, и когда водоносные слои теряют больше грунтовых вод, чем пополняются осадками. Эти возникающие сдвиги массы заставляют планету колебаться во время вращения, а ее ось — смещаться — явление, называемое полярным движением. Они также вызывают замедление вращения Земли, измеряемое удлинением дня. Оба эти явления регистрируются с 1900 года.
Анализируя движение полюсов за 12 десятилетий, ученые приписали почти все периодические колебания положения оси изменениям грунтовых вод, ледяных щитов, ледников и уровня моря. Согласно статье, недавно опубликованной в Nature Geoscience, изменения массы в течение 20-го века в основном были результатом естественных климатических циклов.
Те же исследователи объединились для последующего исследования, которое было сосредоточено на продолжительности дня. Они обнаружили, что с 2000 года дни становятся длиннее примерно на 1,33 миллисекунды за 100 лет, более быстрыми темпами, чем когда-либо в предыдущем столетии. Причина: ускоренное таяние ледников и ледяных щитов Антарктиды и Гренландии из-за выбросов парниковых газов, вызванных деятельностью человека. Их результаты были опубликованы 15 июля в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Арктика запечатлена в этой визуализации 2010 года с использованием данных со спутника Aqua НАСА. Новое исследование количественно определяет, как климатические процессы, включая таяние ледяных щитов и ледников, управляют движением полюсов. Другое исследование рассматривает, как полярная талая вода ускоряет удлинение земных суток. Студия научной визуализации НАСА
«Общая идея этих двух статей заключается в том, что климатические изменения на поверхности Земли, вызванные или нет деятельностью человека, являются мощными факторами изменений, которые мы наблюдаем во вращении планеты», — сказал Сурендра Адхикари, соавтор обеих статей и геофизик из Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии.
В ранние дни ученые отслеживали движение полюсов, измеряя видимое движение звезд. Позже они перешли на интерферометрию с очень длинной базой , которая анализирует радиосигналы от квазаров, или на спутниковую лазерную локацию , которая направляет лазеры на спутники.
Исследователи давно предполагали, что движение полюсов является результатом сочетания процессов внутри Земли и на ее поверхности. Менее ясно, насколько каждый процесс смещает ось и какой эффект каждый из них оказывает — циклические движения, которые повторяются с периодами от недель до десятилетий, или устойчивый дрейф в течение столетий или тысячелетий.
Для своей статьи исследователи использовали алгоритмы машинного обучения, чтобы проанализировать 120-летнюю запись. Они обнаружили, что 90% повторяющихся колебаний между 1900 и 2018 годами можно объяснить изменениями в грунтовых водах, ледяных щитах, ледниках и уровне моря. Остальное в основном было результатом внутренней динамики Земли, например, колебания из-за наклона внутреннего ядра по отношению к основной части планеты.
Модели движения полюсов, связанные со сдвигами поверхностных масс, повторялись несколько раз примерно каждые 25 лет в течение 20-го века, что навело исследователей на мысль, что они были в значительной степени обусловлены естественными изменениями климата. В предыдущих работах были установлены связи между более поздним движением полюсов и деятельностью человека, включая работу Адхикари, которая приписывала внезапное смещение оси на восток (начавшееся около 2000 года) более быстрому таянию ледяных щитов Гренландии и Антарктиды и истощению грунтовых вод в Евразии.
Исследование было сосредоточено на последних двух десятилетиях, в течение которых потеря грунтовых вод и массы льда, а также повышение уровня моря (все эти показатели измерялись с помощью спутников) имели тесную связь с антропогенным изменением климата.
Ученые обнаружили, что таяние льдов в Гренландии и полярных регионах приводит к повышению уровня моря, перемещая массу по планете таким образом, что ее вращение начинает замедляться. НАСА
«В определенной степени верно», что деятельность человека влияет на движение полюсов, сказал Мостафа Киани Шахванди, ведущий автор обеих статей и докторант швейцарского университета ETH Zurich. «Но в климатической системе есть естественные режимы, которые оказывают основное влияние на колебания движения полюсов».
Расположение оси вращения Земли сместилось примерно на 30 футов (10 метров) между 1900 и 2023 годами, как показано в этой анимации. Недавнее исследование показало, что около 90% периодических колебаний в движении полюсов можно объяснить таянием ледяных щитов и ледников, уменьшением грунтовых вод и повышением уровня моря.
Для второй статьи авторы использовали спутниковые наблюдения за изменением массы в ходе миссии GRACE (сокращение от Gravity Recovery and Climate Experiment) и ее продолжения GRACE-FO, а также предыдущие исследования баланса массы, в которых анализировалось влияние изменений в грунтовых водах, ледяных щитах и ледниках на повышение уровня моря в XX веке, чтобы реконструировать изменения продолжительности дня, вызванные этими факторами с 1900 по 2018 год.
Ученые знают из исторических записей затмений, что продолжительность дня увеличивается на протяжении тысячелетий. Хотя это почти незаметно для людей, задержка должна быть учтена, поскольку многие современные технологии, включая GPS, полагаются на точное измерение времени.
В последние десятилетия более быстрое таяние ледяных щитов сместило массу с полюсов в сторону экваториального океана. Это выравнивание заставляет Землю замедляться, а день удлиняться.
Авторы заметили всплеск скорости удлинения дня сразу после 2000 года, изменение, тесно коррелирующее с независимыми наблюдениями за выравниванием. В период с 2000 по 2018 год скорость увеличения продолжительности дня из-за движения льда и грунтовых вод составляла 1,33 миллисекунды за столетие — быстрее, чем в любой период за предыдущие 100 лет, когда она варьировалась от 0,3 до 1,0 миллисекунды за столетие.
Исследователи отмечают, что удлинение, вызванное изменениями льда и грунтовых вод, может замедлиться к 2100 году при климатическом сценарии существенного сокращения выбросов. (Даже если бы выбросы прекратились сегодня, ранее выброшенные газы, особенно углекислый газ, сохранялись бы еще на десятилетия.)
Если выбросы продолжат расти, удлинение дня из-за изменения климата может достичь 2,62 миллисекунд за столетие, обогнав влияние лунного притяжения на приливы, которое увеличивало продолжительность дня на Земле в среднем на 2,4 миллисекунды за столетие. Этот эффект, называемый лунным приливным трением, был основной причиной увеличения продолжительности дня на Земле на протяжении миллиардов лет.
Новейшая климатическая миссия NASA начала собирать данные о количестве тепла в форме дальнего инфракрасного излучения, которое арктическая и антарктическая среды испускают в космос. Эти измерения Polar Radiant Energy in the Far-Infrared Experiment (PREFIRE) являются ключом к лучшему прогнозированию того, как изменение климата повлияет на лед, моря и погоду Земли — информация, которая поможет человечеству лучше подготовиться к меняющемуся миру.
Один из двух кубических спутников PREFIRE размером с обувную коробку, или CubeSat, был запущен 25 мая из Новой Зеландии, а его близнец — 5 июня. Первый CubeSat начал отправлять научные данные 1 июля. Второй CubeSat начал собирать научные данные 25 июля, и миссия опубликует данные после того, как будет устранена проблема с системой GPS на этом CubeSat.
Миссия PREFIRE поможет исследователям получить более четкое представление о том, когда и где Арктика и Антарктида испускают в космос дальнее инфракрасное излучение (длины волн более 15 микрометров). Это включает в себя то, как атмосферный водяной пар и облака влияют на количество тепла, которое покидает Землю. Поскольку облака и водяной пар могут удерживать дальнее инфракрасное излучение вблизи поверхности Земли, они могут повышать глобальную температуру в рамках процесса, известного как парниковый эффект. Это когда газы в атмосфере Земли — такие как углекислый газ, метан и водяной пар — действуют как изоляторы, предотвращая утечку тепла, испускаемого планетой, в космос.
«Мы постоянно ищем новые способы наблюдения за планетой и заполнения критических пробелов в наших знаниях. С такими CubeSat, как PREFIRE, мы делаем и то, и другое», — сказала Карен Сен-Жермен, директор отдела наук о Земле в штаб-квартире NASA в Вашингтоне. «Миссия, часть нашей отобранной на конкурсной основе программы Earth Venture, является прекрасным примером инновационной науки, которую мы можем достичь посредством сотрудничества с университетами и отраслевыми партнерами».
Земля поглощает большую часть энергии Солнца в тропиках; погода и океанские течения переносят это тепло в Арктику и Антарктиду, которые получают гораздо меньше солнечного света. Полярная среда — включая лед, снег и облака — излучает много этого тепла в космос, большая часть которого находится в форме дальнего инфракрасного излучения. Но эти выбросы никогда не измерялись систематически, и вот тут-то и появляется PREFIRE.
«Так волнительно видеть, как поступают данные», — сказал Тристан Л’Экуайер, главный исследователь PREFIRE и климатолог из Университета Висконсина в Мадисоне. «С добавлением измерений в дальнем инфракрасном диапазоне от PREFIRE мы впервые видим полный спектр энергии, который Земля излучает в космос, что имеет решающее значение для понимания изменения климата».
Эта визуализация данных PREFIRE показывает яркостные температуры — или интенсивность излучения, испускаемого Землей на нескольких длинах волн, включая дальний инфракрасный. Желтый и красный цвета указывают на более интенсивные выбросы, исходящие от поверхности Земли, в то время как синий и зеленый представляют более низкие интенсивности выбросов, совпадающие с более холодными областями на поверхности или в атмосфере.
Визуализация начинается с показа данных об излучении в среднем инфракрасном диапазоне (длины волн от 4 до 15 микрометров), полученных в начале июля во время нескольких полярных орбит первого запущенного CubeSat. Затем она увеличивает масштаб двух пролетов над Гренландией. Орбитальные треки расширяются по вертикали, чтобы показать, как дальнее инфракрасное излучение меняется в атмосфере. Визуализация заканчивается фокусировкой на области, где пересекаются два прохода, показывая, как интенсивность дальнего инфракрасного излучения изменилась за девять часов между этими двумя орбитами.
Два спутника PREFIRE CubeSat находятся на асинхронных, околополярных орбитах, что означает, что они проходят над одними и теми же точками в Арктике и Антарктике с разницей в несколько часов, собирая одни и те же данные. Это дает исследователям временной ряд измерений, которые они могут использовать для изучения относительно кратковременных явлений, таких как таяние ледяного покрова или образование облаков, и того, как они влияют на излучение в дальней инфракрасной области спектра с течением времени.
Миссия PREFIRE была совместно разработана NASA и Университетом Висконсин-Мэдисон. Подразделение Калтеха в Пасадене, Калифорния, Лаборатория реактивного движения NASA управляет миссией для Директората научных миссий NASA и предоставила спектрометры. Blue Canyon Technologies построила и теперь эксплуатирует CubeSats, а Университет Висконсин-Мэдисон обрабатывает и анализирует данные, собранные приборами.