Klimatförändringarna gör att isen på Grönland och Antarktis smälter, vilket flyttar vatten till ekvatorialområdena och påverkar jordens rotation, vilket förlänger dagar med några millisekunder. Med stöd av NASA visade forskare från ETH Zürich att denna påverkan kan överträffa månens inflytande på jordens rotationshastighet och att den också förskjuter jordens rotationsaxel.
Smältande polaris på grund av klimatförändringar omfördelar jordens massa, saktar ner dess rotation och förlänger dagen något, vilket framhålls av ETH Zürichs studier med stöd av NASA. Detta indikerar ett större mänskligt inflytande på jordens rotationsdynamik än vad man tidigare känt.
Klimatförändringarna leder till att isen smälter på Grönland och Antarktis. Som ett resultat rinner vatten från dessa polära områden ut i världshaven – och särskilt in i ekvatorialområdet. ”Detta betyder att en massaförskjutning äger rum, och detta påverkar jordens rotation”, förklarar Benedikt Soja, professor i rymdgeodesi vid institutionen för civil-, miljö- och geoteknik vid ETH Zürich.
”Det är som när en konståkare gör en piruett, först håller armarna nära kroppen och sedan sträcker ut dem”, säger Soja. Den initiala snabba rotationen blir långsammare eftersom massorna rör sig bort från rotationsaxeln, vilket ökar den fysiska trögheten. Inom fysiken talar vi om lagen om bevarande av rörelsemängd, och samma lag styr också jordens rotation. Om jorden vänder långsammare blir dagarna längre. Klimatförändringarna förändrar därför också dygnets längd på jorden, om än endast minimalt.
Med stöd av den amerikanska rymdorganisationen NASA har ETH-forskarna från Sojas grupp publicerat två nya studier i tidskrifterna Naturgeovetenskap och Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) om hur klimatförändringar påverkar polarrörelsen och dygnets längd.
Klimatförändringarna överträffar månens inflytande
I PNAS-studien visar ETH Zürich-forskarna att klimatförändringarna också ökar dagens längd med några millisekunder från dess nuvarande 86 400 sekunder. Detta beror på att vatten strömmar från polerna till lägre breddgrader och därmed saktar ner rotationshastigheten.
En annan orsak till denna avmattning är tidvattenfriktion, som utlöses av månen. Den nya studien kommer dock till en överraskande slutsats: om människor fortsätter att släppa ut mer växthusgaser och jorden värms upp därefter, skulle detta i slutändan ha en större inverkan på jordens rotationshastighet än effekten av månen, som har bestämt ökningen i dygnets längd i miljarder år. ”Vi människor har en större inverkan på vår planet än vi inser”, avslutar Soja, ”och detta lägger naturligtvis ett stort ansvar på oss för vår planets framtid.”
Jordens rotationsaxel förskjuts
Men förändringar i massa på jordens yta och i dess inre orsakade av den smältande isen förändrar inte bara jordens rotationshastighet och längden på dygnet: som forskarna visar i Naturgeovetenskap, ändrar de också rotationsaxeln. Det betyder att de punkter där rotationsaxeln faktiskt möter jordens yta rör sig. Forskare kan observera denna polära rörelse, som över en längre tidsperiod uppgår till cirka tio meter per hundra år. Det är inte bara avsmältningen av inlandsisarna som spelar roll här, utan också rörelser som sker i jordens inre. Djupt inne i jordens mantel, där berget blir trögflytande på grund av högt tryck, sker förskjutningar under långa tidsperioder. Och det finns också värmeflöden i den flytande metallen i jordens yttre kärna, som är ansvariga för att både generera jordens magnetfält och leda till förskjutningar i massa.
I den hittills mest omfattande modelleringen har Soja och hans team nu visat hur polär rörelse är ett resultat av de enskilda processerna i kärnan, i manteln och från klimatet vid ytan. Deras studie publicerades nyligen i tidskriften Naturgeovetenskap. ”För första gången presenterar vi en fullständig förklaring till orsakerna till långvarig polär rörelse”, säger Mostafa Kiani Shahvandi, en av Sojas doktorander och huvudförfattare till studien. ”Med andra ord, vi vet nu varför och hur jordens rotationsaxel rör sig i förhållande till jordskorpan.”
Särskilt ett fynd sticker ut i deras studie i Naturgeovetenskap: att processerna på och i jorden är sammankopplade och påverkar varandra. ”Klimatförändringar får jordens rotationsaxel att röra sig, och det verkar som att återkopplingen från bevarandet av rörelsemängd också förändrar dynamiken i jordens kärna”, förklarar Soja. Kiani Shahvandi tillägger: ”Pågående klimatförändringar kan därför till och med påverka processer djupt inne i jorden och ha en större räckvidd än vad som tidigare antagits.” Det finns dock liten anledning till oro, eftersom dessa effekter är små och det är osannolikt att de utgör en risk.
Fysiska lagar kombinerat med artificiell intelligens
För sin studie om polär rörelse använde forskarna vad som kallas fysikinformerade neurala nätverk. Dessa är nya artificiell intelligens (AI) metoder där forskare tillämpar fysikens lagar och principer för att utveckla särskilt kraftfulla och pålitliga algoritmer för maskininlärning. Kiani Shahvandi fick stöd av Siddhartha Mishra, professor i matematik vid ETH Zürich, som 2023 fick ETH Zürichs Rösslerpris, universitetets högst begåvade forskningspris, och som är specialist på detta område.
Algoritmerna som Kiani Shahvandi utvecklade har gjort det möjligt för första gången att registrera alla olika effekter på jordens yta, i dess mantel och i dess kärna, och att modellera deras möjliga interaktioner. Resultatet av beräkningarna visar hur jordens rotationspoler har rört sig sedan 1900. Dessa modellvärden överensstämmer utmärkt med de verkliga data som tillhandahållits av astronomiska observationer i det förflutna och av satelliter under de senaste trettio åren, vilket innebär att de också möjliggör prognoser för framtiden.
Viktigt för rymdresor
”Även om jordens rotation bara förändras långsamt, måste denna effekt beaktas när man navigerar i rymden – till exempel när man skickar en rymdsond att landa på en annan planet”, säger Soja. Även en liten avvikelse på bara en centimeter på jorden kan växa till en avvikelse på hundratals meter över de enorma avstånden. ”Annars går det inte att landa i en specifik krater på Mars,” han säger.