研究发现气温升高影响地球自转轴导致其减速

地球自转轴的位置在 1900 年至 2023 年间移动了约 30 英尺（10 米）。最近的一项研究发现，极地运动中约 90% 的周期性振荡可以用冰原和冰川融化、地下水减少以及海平面上升来解释。图片来源：NASA/JPL-Caltech

科学家们利用 120 多年的数据，破解了冰层融化、地下水减少和海平面上升是如何影响地球自转轴和延长白昼的。

地球上的白天正在略微变长，而且这种变化正在加速。究其原因，与在过去 120 年中导致地球自转轴蜿蜒了约 30 英尺（10 米）的相同机制有关。这些发现来自美国国家航空航天局最近资助的两项研究，研究重点是与气候有关的冰和水的重新分布如何影响了地球的自转。

当冰原和冰川的融化量超过降雪的增长量，地下蓄水层的地下水流失量超过降水的补充量时，就会发生这种重新分布。由此产生的质量变化导致地球在自转过程中摇摆不定，地轴位置发生偏移，这种现象被称为极地运动。它们还导致地球自转速度减慢，表现为白昼的延长。自 1900 年以来，这两种现象都有记录。

为了清晰起见，该动画进行了夸张处理，展示了地球自转轴（橙色显示）远离地球地理轴（蓝色显示，代表地球地理南北两极之间的假想线）的位置时，地球自转是如何摆动的。图片来源：美国宇航局科学可视化工作室

通过分析 12 个十年的极地运动，科学家们几乎将地轴位置的所有周期性摆动都归因于地下水、冰原、冰川和海平面的变化。根据最近发表在《自然-地球科学》上的一篇论文，20 世纪的质量变化主要源于自然气候周期。

这些研究人员随后又合作开展了一项以昼长为重点的研究。他们发现，自 2000 年以来，白昼每 100 年延长约 1.33 毫秒，比上世纪任何时候都快。究其原因：人类造成的温室气体排放加速了冰川以及南极和格陵兰冰盖的融化。他们的研究结果于 7 月 15 日发表在《美国国家科学院院刊》上。

两篇论文的共同作者、美国宇航局南加州喷气推进实验室（JPL）的地球物理学家苏伦德拉-阿迪卡里（Surendra Adhikari）说："两篇论文的共同点是，地球表面与气候有关的变化，无论是否由人类造成，都是我们所看到的地球自转变化的强大驱动力。"

如动画所示，地球自转轴的位置在 1900 年至 2023 年间移动了约 30 英尺（10 米）。最近的一项研究发现，极地运动中约 90% 的周期性振荡可以用冰原和冰川融化、地下水减少以及海平面上升来解释。图片来源：NASA/JPL-Caltech

最早，科学家们通过测量恒星的视运动来追踪极地运动。后来，他们改用超长基线干涉测量法（分析类星体的无线电信号）或卫星激光测距法（将激光对准卫星）。

长期以来，研究人员一直推测，极地运动是地球内部和地表过程的综合结果。但不太清楚的是，每种过程对地轴的影响有多大，以及每种过程会产生什么样的影响--是几周到几十年重复发生的周期性运动，还是几个世纪或几千年的持续漂移。

在论文中，研究人员使用机器学习算法剖析了 120 年的记录。他们发现，1900 年至 2018 年间 90% 的反复波动可以用地下水、冰原、冰川和海平面的变化来解释。其余的波动主要来自地球内部的动态变化，比如内核相对于地球主体的倾斜所产生的摆动。

与地表质量变化有关的极地运动模式在 20 世纪大约每 25 年重复出现几次，研究人员认为这主要是由于自然气候变化造成的。过去的一些论文将最近的极地运动与人类活动联系起来，其中包括阿迪卡里撰写的一篇论文，该论文将地轴突然东移（大约从 2000 年开始）归因于格陵兰岛和南极冰盖的加速融化以及欧亚大陆的地下水枯竭。

这项研究的重点是过去二十年，在此期间，地下水和冰的质量损失以及海平面的上升--所有这些都是通过卫星测量的--与人类造成的气候变化有着密切的联系。

两篇论文的第一作者、瑞士苏黎世联邦理工大学博士生莫斯塔法-基亚尼-沙赫万迪（Mostafa Kiani Shahvandi）说："人类活动在一定程度上影响了极地运动。但气候系统中的自然模式对极地运动振荡有主要影响。"

在第二篇论文中，作者利用 GRACE 任务（Gravity Recovery and Climate Experiment 的缩写，即重力恢复与气候实验）及其后续 GRACE-FO 对质量变化的卫星观测，以及之前分析地下水、冰原和冰川的变化对 20 世纪海平面上升的贡献的质量平衡研究，重建了 1900 年至 2018 年这些因素导致的日长变化。

科学家通过历史上的日食记录得知，昼长几千年来一直在增长。虽然人类几乎无法察觉，但由于包括全球定位系统在内的许多现代技术都依赖于精确的计时，因此必须考虑到这一滞后现象。

近几十年来，冰原融化的速度加快，质量从两极向赤道海洋转移。这种平移导致地球减速，白昼延长，就像溜冰者低头张开双臂减缓旋转速度一样。

作者注意到，就在 2000 年之后，昼长的速度出现了上升，这一变化与独立观测到的扁平化现象密切相关。在 2000 年至 2018 年期间，冰和地下水运动导致的日长增加速度为每百年 1.33 毫秒--比之前 100 年的任何时期都要快，当时的日长增加速度为每百年 0.3 至 1.0 毫秒。

研究人员指出，在排放量严重减少的气候情景下，冰层和地下水变化导致的时间延长可能会在 2100 年前减慢。(即使今天停止排放，以前释放的气体，尤其是二氧化碳，也会在未来几十年内继续存在）。

如果排放量继续增加，气候变化造成的昼长延长可能会达到每百年 2.62 毫秒，超过月球对潮汐的拉力效应，而月球对潮汐的拉力效应已经使地球的昼长平均每百年增加 2.4 毫秒。这种效应被称为月球潮汐摩擦，数十亿年来一直是地球昼长增加的主要原因。

阿迪卡里说："在不到 100 年的时间里，人类已经在很大程度上改变了气候系统，以至于我们看到了对地球自转方式的影响。"

编译自/ScitechDaily