تغییر اقلیم در حال تغییر شکل هندسی سیاره زمین است

زمین یک کره کامل نیست

وقتی از فضا به زمین نگاه می‌کنیم، شبیه یک گوی آبی بی‌نقص به نظر می‌رسد، اما این تصویر دقیق نیست. زمین به دلیل چرخش سریع خود به دور محورش، به شکل یک بیضی‌گون (oblate spheroid) درآمده است؛ یعنی در نواحی قطبی کمی پخ و فشرده و در نواحی استوایی برآمده و کشیده است. قطر زمین در استوا حدود ۱۲٬۷۵۶ کیلومتر است، در حالی که قطر آن از قطب به قطب حدود ۴۳ کیلومتر کمتر است. این اختلاف ظاهراً کوچک، نتیجه میلیاردها سال چرخش پیوسته سیاره‌ای است که نیروی گریز از مرکز، مواد آن را به سمت بیرون، یعنی نواحی استوایی، رانده است.

تا همین اواخر تصور می‌شد این شکل کلی ثابت و پایدار است. اما پژوهشی که در نهم سپتامبر در نشریه JGR Solid Earth منتشر شد، نشان می‌دهد که این هندسه در حال تغییر است و عامل اصلی این تغییر، فعالیت انسان است.

اندازه‌گیری تغییر شکل یک سیاره چگونه ممکن است

اندازه‌گیری اینکه یک سیاره در حال گردتر یا پهن‌تر شدن است، کار ساده‌ای نیست. پژوهشگران برای این کار از شبکه‌ای جهانی از ایستگاه‌های زمینی استفاده می‌کنند که به سیستم ناوبری ماهواره‌ای جهانی (GNSS) مجهزند. این ایستگاه‌ها می‌توانند جابه‌جایی‌های عمودی و افقی پوسته زمین را با دقت میلی‌متری ثبت کنند.

کریستوفوروس کوتساکیس، استاد ژئودزی (geodesy) در دانشگاه ارسطو تسالونیکی یونان، روش تازه‌ای برای تحلیل داده‌های GNSS ابداع کرد تا بتواند تغییرات شکل سطح سیاره را بهتر آشکار کند. چالش اصلی این است که ایستگاه‌های GNSS در نواحی قطبی و اقیانوس‌های دورافتاده بسیار کم هستند؛ در قطب‌ها به دلیل شرایط دشوار و در اقیانوس‌ها چون باید روی شناورها نصب شوند. روش جدید کوتساکیس امکان استخراج الگوهای بزرگ‌مقیاس تغییر شکل را از داده‌های پراکنده فراهم کرد.

یافته اصلی: زمین به تدریج گردتر می‌شود

نتیجه تحلیل، الگویی روشن و در عین حال ظریف را نشان می‌دهد. میان سال‌های ۲۰۱۱ تا ۲۰۱۵، نواحی قطبی زمین سالانه حدود یک میلی‌متر بالا آمده‌اند و برآمدگی استوایی نیز سالانه حدود یک میلی‌متر کوچک شده است. در نگاه نخست این رقم بسیار ناچیز به نظر می‌رسد؛ یک میلی‌متر در برابر قطر دوازده‌هزار کیلومتری زمین، چیزی در حد یک تار مو در مقایسه با یک زمین فوتبال است.

اما نکته مهم، آهنگ این تغییر است. در بازه ۱۹۹۷ تا ۲۰۰۰، زمین سالانه حدود نیم میلی‌متر گردتر می‌شد. اکنون این آهنگ به حدود یک میلی‌متر در سال رسیده است، یعنی زمین در هر دهه حدود ۰٫۴ میلی‌متر در سال سریع‌تر از دهه پیش گرد می‌شود. این شتاب، همان چیزی است که به این پدیده اهمیت می‌دهد: تغییر در حال acelerating است، نه ثابت.

چرا این اتفاق می‌افتد

سازوکار این پدیده را می‌توان با یک مثال آشپزی به خوبی فهمید. کوتساکیس آن را به خمیر نانی تشبیه می‌کند که با انگشت در آن فرورفتگی ایجاد کرده‌اید: پس از برداشتن انگشت، خمیر به آرامی به حالت اولیه بازمی‌گردد. پوسته زمین نیز چنین رفتاری دارد، اما در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر و کندتر.

وقتی یخ‌های ضخیم گرینلند و جنوبگان ذوب می‌شوند، وزن عظیم آن‌ها از روی پوسته زمین برداشته می‌شود. پوسته، که بر روی گوشته‌ای داغ و نیمه‌سیال شناور است، به آرامی به سمت بالا بازمی‌گردد. این فرایند را بازگشت هم‌ایستایی (isostatic rebound) می‌نامند. در همان حال، آب حاصل از ذوب یخ‌ها به سمت استوا حرکت می‌کند و جرم بیشتری را در نواحی استوایی متمرکز می‌سازد؛ این افزایش جرم، فشار بیشتری بر پوسته استوایی وارد می‌کند و از برآمدگی آن می‌کاهد. نتیجه ترکیبی این دو اثر، گردتر شدن تدریجی بخش سنگی سیاره است.

نکته ظریف: اقیانوس‌ها نقش معکوس بازی می‌کنند

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این پژوهش، تفکیک میان زمین جامد و اقیانوس‌هاست. اگر تنها به پوسته سنگی نگاه کنیم، زمین گردتر می‌شود. اما اگر زمین جامد و اقیانوس‌ها را با هم در نظر بگیریم، تصویر برعکس می‌شود: سیاره سالانه حدود ۰٫۸ میلی‌متر پهن‌تر و تخت‌تر می‌شود.

دلیل این تناقض ظاهری این است که آب، به دلیل تحرک زیاد، بسیار سریع‌تر از سنگ به تغییرات پاسخ می‌دهد. با ذوب یخ‌های قطبی، حجم عظیمی آب به سمت استوا جریان می‌یابد و برآمدگی اقیانوسی در استوا بیشتر می‌شود. این وزن آبی چنان بزرگ است که بر اثر گردتر شدن پوسته سنگی چیره می‌شود. به بیان دیگر، سنگ به کندی به سمت کره شدن می‌رود، اما آب به سرعت به سمت بیضی‌تر شدن حرکت می‌کند و در مجموع، برنده میدان آب است.

پیامدها برای چرخش زمین

شکل زمین و سرعت چرخش آن به هم وابسته‌اند، درست مانند یک اسکیت‌باز که با باز کردن دست‌هایش سرعت چرخش خود را کاهش می‌دهد. وقتی جرم به سمت استوا می‌رود، ممان اینرسی (moment of inertia) سیاره افزایش می‌یابد و چرخش آن کندتر می‌شود. پژوهش‌های دیگر پیش‌تر نشان داده‌اند که تغییرات اقلیمی در حال کند کردن چرخش زمین و حتی جابه‌جا کردن محور چرخش آن هستند؛ پدیده‌ای که اثر آن بر طول روز و سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای قابل اندازه‌گیری است.

چرا این پژوهش اهمیت دارد

اهمیت این مطالعه فقط در ثبت یک عدد نیست. شکل زمین یکی از حساس‌ترین شاخص‌های توزیع جرم در سیاره است. هر تغییری در یخ‌ها، اقیانوس‌ها و آب‌های زیرزمینی، امضای خود را بر هندسه سیاره بر جای می‌گذارد. بنابراین اندازه‌گیری دقیق شکل زمین می‌تواند به پژوهشگران کمک کند تا دریابند چه مقدار یخ در گرینلند و جنوبگان ذوب شده و این آب به کجا رفته است.

نکته دیگر اینکه کوتساکیس نشان داد داده‌های GNSS و اندازه‌گیری‌های میدان گرانش زمین کاملاً بر هم منطبق نیستند. این ناهمخوانی به خودی خود یافته‌ای مهم است، زیرا نشان می‌دهد شکل هندسی سیاره و توزیع گرانش آن دقیقاً هم‌گام نیستند. ترکیب این دو روش می‌تواند تصویری کامل‌تر از تأثیر تغییر اقلیم بر زمین به دست دهد.

محدودیت‌ها و افق پیش‌رو

این پژوهش با محدودیت‌هایی نیز روبه‌روست. پراکندگی نامتوازن ایستگاه‌های GNSS، به‌ویژه کمبود آن‌ها در قطب‌ها و اقیانوس‌های باز، دقت برآوردها را محدود می‌کند. با این حال، پرتاب ماهواره‌های ژئودتیک دقیق‌تر و گسترش شبکه‌های زمینی در دهه‌های آینده می‌تواند این شکاف‌ها را پر کند.

شاید شگفت‌انگیزترین درس این پژوهش این باشد که تأثیر انسان بر سیاره، تنها در دما و سطح دریا خلاصه نمی‌شود؛ انسان حتی شکل هندسی زمین را نیز تغییر می‌دهد. تغییراتی در حد میلی‌متر، اما پیوسته، انباشته و در حال شتاب گرفتن، که نشان می‌دهد سیاره‌ای که روی آن زندگی می‌کنیم، موجودی زنده و پاسخ‌دهنده است، نه تخته‌سنگی بی‌حرکت.