Как климатические изменения влияют на движение полюсов Земли: исследование 2003–2015 годов

Интервью с лидерами отрасли

Движение полюсов нашей планеты — не только геофизическое явление, которое фиксируется астрономами и геодезистами, но и индикатор климатических изменений, происходящих на Земле. В период с 2003 по 2015 год ученые провели углубленное исследование, позволяющее понять, как глобальные изменения климата влияют на перемещение оси вращения Земли, и на какие процессы при этом стоит обращать внимание. Земля вращается вокруг своей оси, расположенной почти вертикально по отношению к экватору. Однако эта ось постоянно испытывает незначительные отклонения — движения, которые традиционно называют движением полюсов. Эти колебания можно разделить на известные составляющие, такие как Чандлеровское колебание и годичные колебания, однако наряду с ними наблюдаются и длительные тренды и периодические изменения с масштабами в несколько лет и десятилетий.

Наиболее заметным открытием последних исследований стало выявление того, что климатические факторы играют решающую роль в изменениях направления и скорости этого движения, особенно в период с начала 2000-х годов. До этого времени долгосрочное смещение полюсов объяснялось в основном геофизическими процессами, такими как гляциально-изостатическое выравнивание, связанное с оттаиванием ледников и изменениями в глубинных слоях Земли. Однако начиная с 2000 года наблюдается резкий сдвиг в направлении движения оси, что связано с масштабным перераспределением массы на поверхности планеты из-за климатических процессов. Современные технологии, такие как спутниковый миссия GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), предоставляют возможность измерять изменения гравитационного поля Земли с высокой точностью. Эти данные позволяют отслеживать ежемесячные изменения массы воды, льда и других компонентов.

Анализ гравиметрических данных с 2003 по 2015 год показал, что движение полюсов почти на 83% объясняется перераспределением массы между континентами и океанами. Одним из важнейших факторов выступает изменение запаса пресной воды на суше — так называемое накопление и истощение запасов наземной воды. Периодические колебания уровня грунтовых вод, снегового покрова, ледников и речных стоков влияют на общий баланс массы и, соответственно, на моменты инерции Земли, что вызывает движение оси вращения. Удивительно, но именно эти гидрологические изменения несут наиболее сильный отпечаток на полярное движение в рамках рассматриваемого периода, лишь дополняясь влиянием изменений в ледовых покровах. Гренландский ледяной щит за рассматриваемый период терял порядка 278 гигатонн массы ежегодно, а Антарктида — около 92 гигатонн.

Стоит отметить, что потери неравномерны и включают в себя сегменты с увеличением осадков, как в восточной Антарктиде, и другие, где происходит усиленное таяние. Кроме того, массовые потери наблюдаются в районах арктических ледников, Аляске, Патагонии и других регионах с преимущественным таянием горных ледников. Все эти процессы приводят к тому, что масса континентов уменьшается, а океаны, наоборот, получают дополнительную воду, вызывая повышение уровня моря. Однако не только повышение уровня океана, но и пространственное перераспределение массы критично влияет на вращение Земли. При этом изменения массы в океанах имеют меньший масштаб, но более протяженный характер, оказывая долгосрочное влияние на движение оси.

Ученые смогли реконструировать движение полюсов, используя данные о глобальных изменениях массы из GRACE, учитывая ледяные покровы, наземное водное хранение и изменение масс атмосферы и океанов. Результаты хорошо согласуются с наблюдаемыми движениями полюсов и подтверждают, что именно климатические изменения в массиве наземных и криосферных вод выделяются в качестве приоритетного драйвера полярного движения. Исследование показало также важность учета пространственно-временных изменений в наземных запасах воды. Например, в период с 2005 по 2011 год наблюдался определенный паттерн перераспределения влаги, который резко поменялся к 2012–2015 годам. Это означает, что сдвиг направления полярного движения связан не только с общими тенденциями потепления и таяния, но и с динамикой влажных и сухих зон, происходящей на глобальном уровне.

Выявленная связь между колебаниями запасов воды и движением полюсов открывает новые возможности для изучения долгосрочных климатических процессов. Полярное движение может служить дополнительным индикатором изменчивости глобального водного баланса и помочь в понимании циклов засухи и обильных осадков, а также в оценке интенсивности глобального водного цикла в условиях изменения климата. Стоит подчеркнуть и важность математического и физического аппарата, на котором основано исследование. Вращение Земли описывается классическими уравнениями Эйлера, которые связывают изменения момента инерции с изменениями ориентации оси вращения. Перераспределение массы на поверхности, как показано в исследовании, вызывает изменения в тензоре инерции, что влечет за собой смещение полюсов.

Современные методы анализа сферических гармоник и спутниковые данные позволяют получать подробное представление о пространственно-временных изменениях массы и вычислять соответствующие изменения в полярном движении. Также был рассмотрен вклад атмосферных и океанических масс, которые, хотя и демонстрируют сезонные колебания с большими амплитудами, в целом оказывают меньшее влияние на долгодолговременные тенденции движения полюсов. Влияние этих компонент наиболее ощутимо в изменении широты движения, однако их роль не столь существенна, как вклад наземных запасов воды и ледниковых изменений. Таким образом, период с 2003 по 2015 год стал ключевым для понимания того, как климатические изменения отражаются на динамике вращения Земли. Работа ученых с использованием спутниковых данных GRACE позволила восстановить и объяснить наблюдаемые сдвиги полюсов, выявить основополагающие процессы и их пространственное распределение.

Дальнейшие исследования, потенциально сопровождающиеся удлинением временных рядов спутниковых наблюдений и развитием моделей взаимодействия климата и геодинамики, помогут еще точнее прогнозировать изменения полярного движения. Это в свою очередь важно не только для фундаментальной науки, но и для практики — защиты инфраструктур, навигационных систем и долгосрочного мониторинга климата. В целом, движение полюсов Земли, обусловленное климатическими изменениями, служит важнейшим напоминанием о том, что изменения в глобальном климате имеют непосредственное влияние не только на окружающую среду, но и на фундаментальные процессы планетарной динамики.