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美國國家航空航天局資助的研究解釋了氣候如何改變地球自轉

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美國國家航空航天局資助的研究解釋了氣候如何改變地球自轉


在2010年的可視化中，使用美國國家航空航天局Aqua衛星的數據捕捉到了北極 。一項新的研究量化了氣候相關過程，包括冰蓋和冰川的融化，是如何驅動極地運動的 。另一項研究著眼于極地融水如何加速地球一天的延長 。圖像：美國國家航空航天局科學可視化工作室
據美國宇航局噴氣推進實驗室：研究人員使用了120多年的數據來破譯冰川融化、地下水減少和海平面上升是如何推動地球自轉軸和延長天數的 。
地球上的日子越來越長，而且這種變化正在加速 。原因與過去120年中導致行星軸線彎曲約30英尺（10米）的相同機制有關 。這一發現來自美國國家航空航天局最近資助的兩項研究，這兩項研究的重點是與氣候相關的冰和水的再分配如何影響地球的自轉 。
當冰蓋和冰川融化的程度超過降雪的增長程度，以及含水層失去的地下水超過降水補充的水量時，就會發生這種再分配 。這些由此產生的質量變化導致行星在自轉時擺動，其軸線發生位置偏移，這種現象稱為極移 。它們還導致地球自轉減慢 ， 以一天的延長來衡量 。自1900年以來，兩者都有記錄 。
通過分析12年來的極地運動，科學家們將軸位置的幾乎所有周期性振蕩歸因于地下水、冰蓋、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是由自然氣候周期引起的 。
同樣的研究人員在隨后的一項研究中進行了合作，該研究側重于一天的長度 。他們發現，自2000年以來，每100年的天數增加了約1.33毫秒，比上個世紀的任何時候都快 。原因：人為溫室氣體排放導致冰川、南極和格陵蘭冰蓋加速融化 。他們的研究結果發表在7月15日的《美國國家科學院院刊》上 。
“這兩篇論文的共同點是 ， 地球表面與氣候相關的變化，無論是否人為造成，都是我們在地球自轉中看到的變化的強大驅動力，”這兩篇文章的合著者、美國航空航天局南加州噴氣推進實驗室的地球物理學家Surendra Adhikari說 。
幾十年的極地運動
在早期，科學家們通過測量恒星的表觀運動來追蹤極地運動 。他們后來轉向了超長基線干涉測量法 ， 該方法分析來自類星體的無線電信號，或衛星激光測距，該方法將激光指向衛星 。
研究人員長期以來一直推測，極移是由地球內部和表面的過程共同造成的 。不太清楚的是，每個過程在多大程度上改變了軸心 ， 以及每個過程產生了什么樣的影響——無論是幾周到幾十年的周期性運動，還是幾個世紀或幾千年的持續漂移 。
在他們的論文中，研究人員使用機器學習算法來剖析120年的記錄 。他們發現 ， 1900年至2018年間，90%的周期性波動可以用地下水、冰蓋、冰川和海平面的變化來解釋 。其余的大部分是由地球的內部動力學造成的 ， 比如內核相對于地球大部分的傾斜造成的擺動 。
在20世紀，與地表質量變化相關的極移模式大約每25年重復幾次 ， 這向研究人員表明，這主要是由于自然氣候變化造成的 。過去的論文已經將最近的極地運動與人類活動聯系起來，其中包括阿迪卡里撰寫的一篇論文，該論文將地軸突然向東漂移（從2000年左右開始）歸因于格陵蘭島和南極冰蓋的更快融化以及歐亞大陸的地下水枯竭 。
這項研究側重于過去二十年，在此期間 ， 地下水和冰塊的損失以及海平面的上升——所有這些都是通過衛星測量的——與人為造成的氣候變化有著密切的聯系 。
這兩篇論文的主要作者、瑞士蘇黎世聯邦理工學院的博士生Mostafa Kiani Shahvandi說，“在一定程度上，人類活動確實會影響極地運動” 。“但氣候系統中有一些自然模式對極地運動振蕩有主要影響 ?！?br>更長的日子
在第二篇論文中，作者使用了GRACE任務（重力恢復和氣候實驗的縮寫）及其后續GRACE-FO的質量變化衛星觀測數據，以及之前的質量平衡研究，這些研究分析了20世紀地下水、冰蓋和冰川變化對海平面上升的貢獻，以重建1900年至2018年由于這些因素導致的天數變化 。
科學家們通過歷史日食記錄知道，數千年來，一天的長度一直在增長 。雖然人類幾乎無法察覺，但必須考慮到這種滯后，因為包括GPS在內的許多現代技術都依賴于精確的計時 。
近幾十年來，冰蓋的快速融化使質量從兩極向赤道海洋轉移 。這種扁平化導致地球減速，白天變長 ， 類似于滑冰者放下并展開手臂來減緩旋轉 。
作者注意到 ， 2000年后，白天延長的速度有所上升 ， 這一變化與對扁平化的獨立觀察密切相關 。在2000年至2018年期間，由于冰和地下水的運動 ， 一天的長度增加率為每世紀1.33毫秒，比之前100年的任何時期都快，當時每世紀的長度在0.3到1.0毫秒之間 。
研究人員指出 ， 在排放嚴重減少的氣候情景下，到2100年，由于冰和地下水變化導致的延長可能會減速 。（即使今天停止排放，以前釋放的氣體，尤其是二氧化碳 ， 也會持續數十年 。）
如果排放量繼續上升，氣候變化導致的白晝延長可能高達每世紀2.62毫秒，超過了月球對潮汐的影響，月球對潮汐產生的影響使地球的白晝平均每世紀增加2.4毫秒 。這種效應被稱為月球潮汐摩擦，多年來一直是地球日長增加的主要原因 。
Adhikari說：“在不到100年的時間里，人類已經改變了氣候系統，以至于我們看到了對地球自轉方式的影響 ?！?。