气候变化如何改变地球自转

当地球的冰块融化时，地球的自转也会发生变化。苏黎世联邦理工学院的研究人员现在展示了气候变化如何改变地球的自转轴和一天的长度。自转速度此前主要受月球影响，现在也将更多地取决于气候。

气候变化导致格陵兰岛和南极洲的冰块融化。来自极地地区的水流入世界海洋，尤其是赤道地区。“这意味着质量正在发生变化，这会影响地球的自转，”苏黎世联邦理工学院土木、环境和测绘工程系空间大地测量学教授BenediktSoja解释道。

“这就像花样滑冰运动员做旋转动作时，先将手臂靠近身体，然后伸展开来，”索亚说。最初快速的旋转会变慢，因为物体远离旋转轴，增加了物理惯性。在物理学中，我们说的是角动量守恒定律，同样的定律也支配着地球的自转。如果地球转动得更慢，白天就会变长。因此，气候变化也在改变地球上一天的长度，尽管改变的程度很小。

在美国航天局NASA的支持下，苏黎世联邦理工学院索亚团队的研究人员在《自然地球科学》和《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表了两项有关气候变化如何影响极地运动和一天长度的新研究。

气候变化超越月球的影响

在PNAS的研究中，苏黎世联邦理工学院的研究人员表明，气候变化也使一天的长度从目前的86,400秒增加了几毫秒。这是因为水从两极流向低纬度地区，从而减慢了自转速度。

导致地球变暖减缓的另一个原因是潮汐摩擦，而潮汐摩擦是由月球引起的。然而，这项新研究得出了一个令人惊讶的结论：如果人类继续排放更多的温室气体，地球也会因此变暖，那么这对地球自转速度的影响最终将大于月球的影响，而月球在数十亿年的时间里决定了白天长度的增加。“我们人类对地球的影响比我们意识到的要大，”索亚总结道，“这自然使我们对地球的未来负有重大责任。”

地球自转轴正在偏移

然而，冰川融化引起的地球表面和内部质量变化不仅会改变地球的自转速度和一天的长度：正如研究人员在《自然地球科学》杂志上所展示的那样，它们还会改变自转轴。这意味着自转轴与地球表面的实际交点会移动。研究人员可以观察到这种极地运动，在较长的时间内，这种运动达到每百年十米左右。在这里，不仅冰盖融化发挥了作用，地球内部的运动也起到了作用。在地球地幔深处，岩石由于高压而变得粘稠，因此会在很长一段时间内发生位移。此外，地球外核的液态金属中也有热流，这既产生了地球磁场，也导致了质量变化。

在迄今为止最全面的建模中，索亚和他的团队展示了极地运动是如何由地核、地幔和地表气候的各个过程引起的。他们的研究最近发表在《自然地球科学》杂志上。“我们首次对长周期极地运动的原因提出了完整的解释，”索亚的博士生之一、这项研究的主要作者穆斯塔法·基亚尼·沙万迪说。“换句话说，我们现在知道地球自转轴相对于地壳移动的原因和方式。”

他们在《自然地球科学》杂志上发表的一项研究成果尤为引人注目：地球上和地球内部的过程是相互联系、相互影响的。“气候变化导致地球自转轴移动，而且角动量守恒的反馈似乎也在改变地球核心的动态，”索亚解释道。基亚尼·沙万迪补充道：“因此，持续的气候变化甚至可能影响地球内部深处的过程，其影响范围比之前认为的要大。”然而，没有必要担心，因为这些影响很小，不太可能构成风险。

物理定律与人工智能相结合

在极地运动研究中，研究人员使用了所谓的物理信息神经网络。这些是新颖的人工智能(AI)方法，研究人员在其中应用物理定律和原理来开发特别强大和可靠的机器学习算法。KianiShahvandi得到了苏黎世联邦理工学院数学教授SiddharthaMishra的支持，后者于2023年获得苏黎世联邦理工学院的Rössler奖，这是该大学获得的最高研究奖，并且是该领域的专家。

KianiShahvandi开发的算法首次记录了地球表面、地幔和地核的各种不同影响，并模拟了它们可能产生的相互作用。计算结果显示了自1900年以来地球自转极点的移动情况。这些模型值与过去天文观测和过去三十年卫星提供的真实数据高度吻合，这意味着它们也可用于预测未来。

对太空旅行很重要

“即使地球自转变化缓慢，在太空航行时也必须考虑到这种影响——例如，当发射太空探测器降落在另一个星球上时，”索亚说。即使是地球上只有一厘米的微小偏差，在涉及的巨大距离上也会增加到数百米的偏差。“否则，就不可能降落在火星上的某个陨石坑里，”他说。