當地球上的冰塊融化時，地球自轉的方式也會改變。蘇黎世聯邦理工學院的研究人員現在已經能夠展示氣候變遷是如何改變地球自轉軸和白晝長度的。迄今為止，自轉速度主要受月球的影響，而現在，它也將更多地取決於氣候。

氣候變遷正在導致格陵蘭島和南極洲的冰塊融化。極地地區的水正在流入世界海洋，尤其是流入赤道地區。蘇黎世聯邦理工學院土木、環境和地球工程系空間大地測量學教授貝內特-索亞解釋說：”這意味著品質正在發生變化，從而影響了地球的自轉。”

“這就像花式滑冰選手在做迴旋動作時，先將雙臂緊貼身體，然後再伸展開來，”Soja 說。最初的快速旋轉變得越來越慢，因為質量遠離了旋轉軸，增加了物理慣性。在物理學中，我們常說角動量守恆定律，地球的自轉也遵循這個定律。如果地球轉得更慢，白晝就會變得更長。因此，氣候變遷也在改變地球上的白晝長度，儘管只是微乎其微。

在美國國家航空暨太空總署（NASA）的支持下，聯邦理工學院Soja 小組的研究人員在《自然-地球科學》（Nature Geoscience）和《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表了兩篇關於氣候變化如何影響極地運動和白晝長度的新研究報告。

氣候變遷超越月球的影響

在《美國國家科學院院刊》（PNAS）的研究中，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員表明，氣候變遷也使一天的長度從目前的86400秒增加了幾毫秒。這是因為水從兩極流向低緯度地區，從而減緩了自轉速度。

造成這種減速的另一個原因是月球引發的潮汐摩擦。然而，這項新研究得出了一個令人驚訝的結論：如果人類繼續排放更多溫室氣體，地球隨之變暖，那麼最終對地球自轉速度的影響將大於月球的影響，因為月球決定了數十億年來白晝長度的增加。 “我們人類對地球的影響比我們意識到的要大，”索賈總結道，”這自然讓我們對地球的未來負有重大責任。

地球自轉軸正在移動

然而，冰雪融化造成的地球表面和內部質量變化不僅改變了地球的自轉速度和白晝長度：正如研究人員在《自然-地球科學》雜誌上所展示的，它們也改變了自轉軸。這意味著自轉軸與地球表面的實際交會點也在移動。研究人員可以觀察到這種極地運動，從較長的時間範圍來看，每一百年大約移動十公尺。在這裡起作用的不僅是冰原的融化，還有地球內部發生的運動。在地函深處，岩石因高壓而變得黏稠，長時間內會發生位移。此外，地球外核的液態金屬中也存在熱流，這不僅是產生地球磁場的原因，也是導致質量變化的原因。

在迄今為止最全面的建模中，Soja 和他的團隊展示了極地運動是如何從地核、地函和地表氣候的各個過程中產生的。他們的研究最近發表在《自然地球科學》（Nature Geoscience）雜誌上。索賈的博士生之一、該研究的第一作者莫斯塔法-基亞尼-沙赫萬迪（Mostafa Kiani Shahvandi）說：”我們第一次完整地解釋了長週期極地運動的原因。換句話說，我們現在知道了地球自轉軸相對於地殼運動的原因和方式。

在他們發表在《自然-地球科學》（Nature Geoscience）雜誌上的研究中，有一項發現特別突出：地球上和地球內部的各種過程是相互關聯、相互影響的。 「氣候變遷導致地球自轉軸移動，而角動量守恆的回饋似乎也在改變地核的動態，」索賈解釋。 “因此，正在發生的氣候變遷甚至可能影響到地球內部深處的進程，其影響範圍比之前假設的要大。不過，我們也不必過於擔心，因為這些影響都很輕微，不太可能構成風險。 “

物理定律與人工智慧結合

在極地運動研究中，研究人員使用了所謂的物理資訊神經網路。這是一種新穎的人工智慧（AI）方法，研究人員應用物理定律和原理開發出特別強大和可靠的機器學習演算法。 Kiani Shahvandi 得到了蘇黎世聯邦理工學院數學教授Siddhartha Mishra 的支持，Siddhartha Mishra 於2023 年獲得了蘇黎世聯邦理工學院的羅斯勒獎（Rössler Prize），該獎是蘇黎世聯邦理工學院獎金最高的研究獎項，他也是這一領域的專家。

極地運動描述了地球自轉軸（橙色顯示）相對於地理南北極（藍色顯示）的運動。 (影片：NASA/GSFC 科學視覺化工作室）

Kiani Shahvandi 開發的演算法首次記錄了地球表面、地函和地核的所有不同影響，並建立了它們可能相互作用的模型。計算結果顯示了自1900 年以來地球自轉極的移動情況。這些模型值與過去的天文觀測資料以及衛星在過去三十年中提供的真實資料非常吻合，這意味著它們也能對未來進行預測。

對太空旅行很重要

索亞說：『即使地球自轉的變化很緩慢，但在太空中導航時，例如在將太空探測器送往另一個星球著陸時，也必須考慮到這種影響。在地球上，哪怕只有一厘米的微小偏差，在巨大的距離上也會發展成數百米的偏差。