Metrolodzy wstrzymali oddech. Topniejący lód spowalnia obrót Ziemi

W drugiej połowie XX w. nasza cywilizacja zaczęła mocno rozwijać się pod względem technologicznym. Wcześniej ludzkość korzystała w szerokim zakresie z czasu astronomicznego. Jednak w dobie satelitów, komputerów i szybkiego rozwoju nauki to wszystko zaczęło się zmieniać. Zmieniać zaczął się też obrót Ziemi.

Po raz pierwszy zastąpiono czas astronomiczny czasem atomowym w 1955 r.. Jest on wielokrotnie dokładniejszy i nie ma takich wahań w taktowaniu, czyli wybijaniu rytmu, jak czas zależny od obrotu Ziemi wokół swojej osi.

Od tamtej pory metrolodzy zaczęli odmierzać sekundy bardziej precyzyjnie. Do pomiaru czasu atomowego wykorzystano atomy cezu, które podlegają specyficznemu rezonansowi. Zjawisku fizycznemu, które objawia się wzrostem amplitudy drgań układu drgającego w celu określenia częstotliwości siły wymuszającej. W 1969 r. naukowcy utworzyli tak zwany uniwersalny czas koordynowany (UTC) w stosunku do astronomicznego uniwersalnego czasu (UT).

Dzisiaj metrolodzy odmierzają czas za pomocą około 450 ultraprecyzyjnych zegarów atomowych. A zmieniające się tempo wirowania planety jest dokładnie śledzone przez Międzynarodową Służbę Obrotu Ziemi i Systemów Odniesienia.

Sekundy przestępne czasu atomowego mają zsynchronizować obrót Ziemi

Na początku lat 70 astronomowie zwrócili uwagę, że Ziemia spowalnia swój obrót. Zaobserwowali, że czas astronomiczny opóźnia się w stosunku do czasu atomowego. Od 1972 r. metrolodzy postanowili dodać tak zwaną sekundę przestępną, by zsynchronizować oba czasy. W sumie dotychczas dodano 27 takich sekund.

Nasza cywilizacja stawała się coraz bardziej technologiczna w sposób zależny od nowego czasu – czasu atomowego.

Od końca 2016 r. Ziemia przyspieszyła swój obrót na tyle, że naukowcy zdumieni zastanawiają się teraz nad odjęciem jednej sekundy przestępnej. Okazuje się, że jest to potencjalnie ryzykowne. Nigdy wcześniej tego nie robiono i istnieje obawa nieprzewidzianych zakłóceń albo nawet paraliżu wszystkich komputerów i satelitów oraz wszelkich technologicznych urządzeń zależnych od czasu atomowego (cezowego). Badacze wyznaczyli już nawet termin na 2026 r.

Niedawno na łamach Nature ukazała się praca naukowa Duncana Carra Agnew, geofizyka w Instytucie Oceanografii Scripps na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Dała do zrozumienia, że jednak coś jeszcze powoduje spowalnianie Ziemi. Metrolodzy wstrzymali oddech. Teraz mają świadomość, że zanim podejmą decyzję z odjęciem sekundy przestępnej, muszą bardzo dokładnie zmierzyć obrót Ziemi dookoła własnej osi.

– Nigdy nie dodano ani nie przetestowano ujemnej sekundy przestępnej, więc problemy, jakie może ona powodować, są bezprecedensowe – napisała Patrizia Tavella, członkini Departamentu Czasu w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag we Francji.

Z kolei Jerry Mitrovica z Wydziału Nauk o Ziemi i Planetach Uniwersytetu Harvarda powiedział: – O ile międzynarodowe wytyczne dotyczące pomiaru czasu szybko się nie zmienią, niezliczone podstawy technologiczne społeczeństwa ludzkiego muszą zostać zaktualizowane w ramach przygotowań na to bezprecedensowe wydarzenie i zniknięcie godziny 23:59:59 jednego dnia w niezbyt odległej przyszłości.

Kilka czynników geofizycznych taktujących czas astronomiczny

Kilka kluczowych procesów geofizycznych może powodować albo przyspieszenie, albo opóźnienie obrotu Ziemi. Należą do nich:

• tarcie pływów oceanicznych spowalnia rotację Ziemi,
• zmiana kształtu planety z wypłaszczonego na bardziej kulisty po zakończeniu epoki lodowcowej przyspiesza rotację Ziemi,
• ruch płynu w płynnym jądrze wewnętrznym Ziemi może przyspieszyć lub spowolnić prędkość obrotu Ziemi.

W tym ostatnim przypadku nasza planeta jednak bardziej przyspiesza. Geofizycy zaobserwowali wysokie wahania w jądrze Ziemi, które skłoniły ich do szybkiego zastosowania ujemnej sekundy przestępnej. Jednak wspomniana praca D. C. Agnewa opóźniła tę decyzję o trzy lata, czyli do 2029 r.

– W skali tysiącleci zmiany w rotacji Ziemi odzwierciedlają połączony efekt trzech procesów geofizycznych – napisał Mitrovica.

Judah Levine, fizyk z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Boulder w Kolorado stwierdził, że proces napływu większej ilości mas wodnych zwiększa wybrzuszenie równikowe planety. Na biegunach ląd unosi się przez topniejący lód, a Ziemia staje się przez to bardziej kulista.

• Czytaj także: Topniejący lód odkrył nową antarktyczną wyspę

Co zadecydowało o opóźnieniu decyzji metrologów? Współczesne zmiany klimatu. Na obu biegunach topniejący lód z pokryw lodowych zmienia się w wodę. Tak jak mówią prawa fizyki. Następnie woda w swoich masach z prądami morskimi przemieszcza się w kierunku równika. Agnew obliczył, że zwiększone topnienie lodu na Grenlandii i Antarktydzie, mierzone za pomocą grawitacji satelitarnej spowodowało gwałtowniejsze niż przedtem zmniejszenie prędkości kątowej Ziemi (stałej wartości 360°/24 h).
Zmiana miejsca koncentracji masy Ziemi wpływa właśnie na prędkość kątową planety.

Mitrovica w Nature pisze, że wprawdzie sprzężenie doprowadziło do przyspieszonej rotacji, ale też nastąpiło wyraźne spowolnienie w związku z początkiem poważnego topnienia polarnych pokryw lodowych, które zostało zapoczątkowane pod koniec XX wieku.

Sekundy przestępne mogą nas zgubić

Evan Bush z NBC News pisze, że dodawanie lub odejmowanie sekund przestępnych jest uciążliwe. Zwraca uwagę, że może to powodować poważne zakłócenia systemów transmisji satelitarnej, finansowej i energetycznej, które przede wszystkim są oparte na niezwykle precyzyjnym taktowaniu.

– Od około 2000 r. panuje tendencja do pozbycia się sekund przestępnych – powiedział Agnew.

W 2022 r. chronometrażyści zagłosowali za zniesieniem sekund przestępnych, przynajmniej do 2035 r.

– Metrologowie na całym świecie uważnie śledzą rozwój dyskusji, aby uniknąć niepotrzebnego ryzyka. Konieczne byłoby, zgodnie z dobrą praktyką metrologiczną, obliczenie niepewności związanej z przewidywaniami obrotu Ziemi – pisze na łamach Nature Patrizia Tavella.

• Czytaj także:Topnienie lodowców może wywołać megatsunami

–

Zdjęcie tytułowe: shutterstock/Dr_Flash