气候变化和全球变暖对地球自转速度的影响将大于月球的影响

当地球上的冰块融化时，地球自转的方式也会发生变化。苏黎世联邦理工学院的研究人员现在已经能够展示气候变化是如何改变地球自转轴和白昼长度的。迄今为止，自转速度主要受月球的影响，而现在，它也将更多地取决于气候。

气候变化正在导致格陵兰岛和南极洲的冰块融化。极地地区的水正在流入世界海洋，尤其是流入赤道地区。苏黎世联邦理工学院土木、环境和地球工程系空间大地测量学教授贝内迪克特-索亚解释说："这意味着质量正在发生变化，从而影响了地球的自转。"

"这就像花样滑冰运动员在做回旋动作时，先将双臂紧贴身体，然后再伸展开来，"Soja 说。最初的快速旋转变得越来越慢，因为质量远离了旋转轴，增加了物理惯性。在物理学中，我们常说角动量守恒定律，地球的自转也遵循这一定律。如果地球转动得更慢，白昼就会变得更长。因此，气候变化也在改变地球上的白昼长度，尽管只是微乎其微。

在美国国家航空航天局（NASA）的支持下，联邦理工学院 Soja 小组的研究人员在《自然-地球科学》（Nature Geoscience）和《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了两篇关于气候变化如何影响极地运动和白昼长度的新研究报告。

气候变化超越月球的影响

在《美国国家科学院院刊》（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86400秒增加了几毫秒。这是因为水从两极流向低纬度地区，从而减缓了自转速度。

造成这种减速的另一个原因是月球引发的潮汐摩擦。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温室气体，地球随之变暖，那么最终对地球自转速度的影响将大于月球的影响，因为月球决定了数十亿年来白昼长度的增加。"我们人类对地球的影响比我们意识到的要大，"索贾总结道，"这自然让我们对地球的未来负有重大责任。

地球自转轴正在移动

然而，冰雪融化造成的地球表面和内部质量变化不仅改变了地球的自转速度和白昼长度：正如研究人员在《自然-地球科学》杂志上所展示的，它们还改变了自转轴。这意味着自转轴与地球表面的实际交汇点也在移动。研究人员可以观察到这种极地运动，从较长的时间范围来看，每一百年大约移动十米。在这里起作用的不仅是冰原的融化，还有地球内部发生的运动。在地幔深处，岩石因高压而变得粘稠，长时间内会发生位移。此外，地球外核的液态金属中也存在热流，这既是产生地球磁场的原因，也是导致质量变化的原因。

在迄今为止最全面的建模中，Soja 和他的团队展示了极地运动是如何从地核、地幔和地表气候的各个过程中产生的。他们的研究最近发表在《自然地球科学》（Nature Geoscience）杂志上。索贾的博士生之一、该研究的第一作者莫斯塔法-基亚尼-沙赫万迪（Mostafa Kiani Shahvandi）说："我们第一次完整地解释了长周期极地运动的原因。换句话说，我们现在知道了地球自转轴相对于地壳运动的原因和方式。"

在他们发表在《自然-地球科学》（Nature Geoscience）杂志上的研究中，有一项发现尤为突出：地球上和地球内部的各种过程是相互关联、相互影响的。"气候变化导致地球自转轴移动，而角动量守恒的反馈似乎也在改变地核的动态，"索贾解释说。"因此，正在发生的气候变化甚至可能影响到地球内部深处的进程，其影响范围比之前假设的要大。不过，我们也不必过于担心，因为这些影响都很轻微，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。这是一种新颖的人工智能（AI）方法，研究人员应用物理定律和原理开发出特别强大和可靠的机器学习算法。Kiani Shahvandi 得到了苏黎世联邦理工学院数学教授 Siddhartha Mishra 的支持，Siddhartha Mishra 于 2023 年获得了苏黎世联邦理工学院的罗斯勒奖（Rössler Prize），该奖是苏黎世联邦理工学院奖金最高的研究奖项，他也是这一领域的专家。

极地运动描述了地球自转轴（橙色显示）相对于地理南北极（蓝色显示）的运动。(视频：NASA/GSFC 科学可视化工作室）

Kiani Shahvandi 开发的算法首次记录了地球表面、地幔和地核的所有不同影响，并建立了它们可能相互作用的模型。计算结果显示了自 1900 年以来地球自转极的移动情况。这些模型值与过去的天文观测数据以及卫星在过去三十年中提供的真实数据非常吻合，这意味着它们还能对未来进行预测。

对太空旅行很重要

索亚说："即使地球自转的变化很缓慢，但在太空中导航时，例如在将太空探测器送往另一个星球着陆时，也必须考虑到这种影响。在地球上，哪怕只有一厘米的微小偏差，在巨大的距离上也会发展成数百米的偏差。否则，就不可能在火星上的某个特定陨石坑着陆。"