美国国家航空航天局资助的研究解释了气候如何改变地球自转

在2010年的可视化中，使用美国国家航空航天局Aqua卫星的数据捕捉到了北极。一项新的研究量化了气候相关过程，包括冰盖和冰川的融化，是如何驱动极地运动的。另一项研究着眼于极地融水如何加速地球一天的延长。图像：uux.cn美国国家航空航天局科学可视化工作室

（神秘的地球uux.cn）据美国宇航局喷气推进实验室：研究人员使用了120多年的数据来破译冰川融化、地下水减少和海平面上升是如何推动地球自转轴和延长天数的。

地球上的日子越来越长，而且这种变化正在加速。原因与过去120年中导致行星轴线弯曲约30英尺（10米）的相同机制有关。这一发现来自美国国家航空航天局最近资助的两项研究，这两项研究的重点是与气候相关的冰和水的再分配如何影响地球的自转。

当冰盖和冰川融化的程度超过降雪的增长程度，以及含水层失去的地下水超过降水补充的水量时，就会发生这种再分配。这些由此产生的质量变化导致行星在自转时摆动，其轴线发生位置偏移，这种现象称为极移。它们还导致地球自转减慢，以一天的延长来衡量。自1900年以来，两者都有记录。

通过分析12年来的极地运动，科学家们将轴位置的几乎所有周期性振荡归因于地下水、冰盖、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是由自然气候周期引起的。

同样的研究人员在随后的一项研究中进行了合作，该研究侧重于一天的长度。他们发现，自2000年以来，每100年的天数增加了约1.33毫秒，比上个世纪的任何时候都快。原因：人为温室气体排放导致冰川、南极和格陵兰冰盖加速融化。他们的研究结果发表在7月15日的《美国国家科学院院刊》上。

“这两篇论文的共同点是，地球表面与气候相关的变化，无论是否人为造成，都是我们在地球自转中看到的变化的强大驱动力，”这两篇文章的合著者、美国航空航天局南加州喷气推进实验室的地球物理学家Surendra Adhikari说。

几十年的极地运动

在早期，科学家们通过测量恒星的表观运动来追踪极地运动。他们后来转向了超长基线干涉测量法，该方法分析来自类星体的无线电信号，或卫星激光测距，该方法将激光指向卫星。

研究人员长期以来一直推测，极移是由地球内部和表面的过程共同造成的。不太清楚的是，每个过程在多大程度上改变了轴心，以及每个过程产生了什么样的影响——无论是几周到几十年的周期性运动，还是几个世纪或几千年的持续漂移。

在他们的论文中，研究人员使用机器学习算法来剖析120年的记录。他们发现，1900年至2018年间，90%的周期性波动可以用地下水、冰盖、冰川和海平面的变化来解释。其余的大部分是由地球的内部动力学造成的，比如内核相对于地球大部分的倾斜造成的摆动。

在20世纪，与地表质量变化相关的极移模式大约每25年重复几次，这向研究人员表明，这主要是由于自然气候变化造成的。过去的论文已经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，该论文将地轴突然向东漂移（从2000年左右开始）归因于格陵兰岛和南极冰盖的更快融化以及欧亚大陆的地下水枯竭。

这项研究侧重于过去二十年，在此期间，地下水和冰块的损失以及海平面的上升——所有这些都是通过卫星测量的——与人为造成的气候变化有着密切的联系。

这两篇论文的主要作者、瑞士苏黎世联邦理工学院的博士生Mostafa Kiani Shahvandi说，“在一定程度上，人类活动确实会影响极地运动”。“但气候系统中有一些自然模式对极地运动振荡有主要影响。”

更长的日子

在第二篇论文中，作者使用了GRACE任务（重力恢复和气候实验的缩写）及其后续GRACE-FO的质量变化卫星观测数据，以及之前的质量平衡研究，这些研究分析了20世纪地下水、冰盖和冰川变化对海平面上升的贡献，以重建1900年至2018年由于这些因素导致的天数变化。

科学家们通过历史日食记录知道，数千年来，一天的长度一直在增长。虽然人类几乎无法察觉，但必须考虑到这种滞后，因为包括GPS在内的许多现代技术都依赖于精确的计时。

近几十年来，冰盖的快速融化使质量从两极向赤道海洋转移。这种扁平化导致地球减速，白天变长，类似于滑冰者放下并展开手臂来减缓旋转。

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