Jorden snurrar mätbart långsammare på grund av klimatförändringar: konsekvenser för din GPS

Det vi uppfattar som en stabil 24-timmarsdygn håller sakta på att förskjutas

Det känns som om dagen alltid har varat exakt lika länge — men det stämmer inte riktigt. När polarisen smälter förändras massfördelningen på vår planet, och detta bromsar jordens rotation. Det låter abstrakt, men i längden påverkar det teknik vi använder dagligen: från GPS-system till satelliter och atomklockor.

Så här bromsar smältande is jordens rotationshastighet

När isen på Grönland och i Antarktis smälter rinner vattnet inte tillbaka till polerna — det strömmar ut i världshaven. Därifrån fördelar det sig främst längs ekvatorn. Detta innebär att en enorm mängd massa förflyttas från polerna till de mellersta breddgraderna.

Resultatet blir att jorden blir något mer utbuktande kring ”midjan”. Inom fysiken kallas detta för en ökning av tröghetsmoment. Principen påminner om en konståkare: med armarna tätt intill kroppen snurrar hon snabbt, men sträcker hon ut armarna saktar pirouetten in.

Jorden gör exakt samma sak som en skridskoåkare med utsträckta armar: mer massa längre från rotationspunkten innebär långsammare rotation.

Denna process har funnits så länge det har funnits is och vatten, men intensiteten är idag högre än någonsin. Enligt nya uppskattningar tillförs världshaven varje år hundratals miljarder ton smältvatten. Detta lämnar ett tydligt fysiskt avtryck i planetens rotation.

Satelliter som mäter minimala variationer i gravitationsfältet bekräftar att jordens massa faktiskt förskjuts. På nanometernivå registrerar de hur planetens form förändras: polerna förlorar massa, medan ekvatorialregionen vinner.

En signal som sträcker sig 3,6 miljoner år bakåt

Forskare från universitetet i Wien och ETH Zürich ville förstå hur ovanlig denna inbromsning egentligen är. De grävde därför djupt i det geologiska förflutna — ända tillbaka till det sena pliocen för över 3,6 miljoner år sedan.

Fossila encelliga organismer som kosmiska klockor

Nyckeln låg i bittesmå fossil från havsbotten: så kallade bentiska foraminiferer. Det är encelliga organismer med små kalkskal. När de dör sjunker deras skelett till botten och bildar lager på lager av arkiv i sedimentet.

Den kemiska sammansättningen av dessa skal reagerar på klimatförändringar och på subtila variationer i jordens bana och lutning. Genom att analysera hundratusentals fossil och koppla dem till astronomiska modeller kunde forskarna rekonstruera hur lång en dag var under avlägsna geologiska epoker.

Denna rekonstruktion gav en anmärkningsvärd siffra: den nuvarande förlängningen av dygnet uppgår till cirka 1,33 millisekunder per århundrade. Det låter obetydligt, men på geologisk skala är det enormt. Enligt studien, publicerad i den vetenskapliga tidskriften Journal of Geophysical Research: Solid Earth, har ett så högt värde inte observerats tidigare under denna långa period.

Dygnen blir nu ungefär dubbelt så snabbt längre än under naturliga uppvärmningsperioder efter istider.

Även varma faser i den nära geologiska historien, då stora istäcken smälte bort, orsakade inte ett så abrupt utslag. Den nuvarande utsläppen av växthusgaser driver uppvärmningen framåt i en takt som jorden inte har upplevt på miljontals år.

Från sekunder till satelliter: konkreta konsekvenser för tekniken

Inbromsningen av jordens rotation berör inte bara fysiker. Hela vår moderna infrastruktur är beroende av extremt precis tidmätning — och här uppstår det redan problem.

GPS fungerar endast med perfekt tajming

GPS bestämmer en position genom att mäta restiden för radiosignaler mellan satelliter och mottagare. Systemet använder atomklockor som måste vara synkroniserade på nanosekundnivå.

När jordens rotation långsamt förskjuts börjar ”jordbaserade” tidsskalor och GPS-konstellationens tid att avvika från varandra. Varje millisekunds avvikelse kan översättas till meters positionsfel. För en smartphone är det kanske inte katastrofalt — men för luftfart, sjöfart, precisionsodling och militära tillämpningar är det allvarligt.

• Flygplan är beroende av exakt navigering, särskilt vid dålig sikt.
• Containerhamnar planerar ankomst och avgång till minuten.
• Jordbrukare använder GPS för fåror med bara några centimeters bredd.
• Finansiella marknader tidsstämplar transaktioner på mikrosekundnivå.

Alla dessa tillämpningar kräver precisa tidsskalor. En långsammare roterande jord komplicerar kalibreringen och tvingar till regelbundna korrigeringar.

Atomer kontra jorden: problem med skottsekunder

För att utjämna skillnaden mellan atomtid och jordens faktiska rotation har tidsinstitut sedan 1972 då och då infogat en skottsekund — så att en dag kortvarigt varar 24 timmar och en sekund.

Med en stabil och jämnt föränderlig takt är det hanterbart. Men nu när rotationshastigheten förändras mer oregelbundet på grund av klimatprocesserna blir det svårare. Mjukvara, datacenter och kommunikationssystem hanterar dåligt oväntade eller ojämnt fördelade sekunder. Stora teknikföretag har länge argumenterat för att avskaffa skottsekunden, just eftersom hanteringen av den blir allt mer komplex.

Satelliter och rymdfart måste omkalibrera

Rymdorganisationer övervakar kontinuerligt jordens rotation. Banor för satelliter, rymdsonder och bemannade missioner beror på exakta beräkningar. Roterar planeten bara lite långsammare förskjuts markytan annorlunda under en satellits bana än förväntat.

Därför inkorporerar flygledare nya rotationsdata i banberäkningar — bland annat för jordobservationssatelliter som alltid ska passera över samma lokala tidszon. Utan dessa justeringar skulle mätningarna gradvis förskjutas och störa långvariga klimat- och väderregistreringar.

Klimatet som ny dominerande kraft på planetär skala

Hittills har månens inflytande betraktats som den viktigaste bromskraften på jordens rotation. Via tidvattensfriktion förlorar planeten löpande lite rotationsenergi till månen, vilket gör dygnen millisekunder längre över miljontals år.

Enligt de nya beräkningarna lägger sig nu människoorsakad klimatförändring ovanpå detta — och riskerar rent av att överträffa tidvattenpåverkan, om utsläppen av växthusgaser förblir på nuvarande nivå.

För första gången i jordens moderna historia styr mänsklig aktivitet inte bara klimatet, utan påverkar också mätbart planetens rotation.

Denna förskjutning kan få konsekvenser för andra geofysiska processer. Forskare undersöker exempelvis om den förändrade massfördelningen spelar en roll i förhållande till:

Hur långt sträcker sig effekten mot slutet av detta århundrade?

Modeller visar att den nuvarande inbromsningen inte är ett isolerat fenomen. Förblir utsläppen av växthusgaser höga och fortsätter istäckena att förlora massa i högt tempo kan förlängningen av dygnet fram mot år 2100 ungefär dubbleras.

I vardagen märker vi fortfarande ingenting: du kommer inte märka skillnad på en dag med 86 400 sekunder och en dag som är en bråkdel längre. Konsekvenserna visar sig främst i system som opererar på mikro- eller millisekundnivå. Där börjar summan av små förskjutningar att bli kännbar efter tio, tjugo eller femtio år.

Tekniska institutioner arbetar därför på mer robusta standarder för tidmätning och navigering som bättre kan hantera varierande rotationshastigheter. Det kan vara mjukvara som smidigare klarar flexibla sekunder, eller alternativa positioneringssystem som är mindre känsliga för timingfel.

Det viktigaste att veta om tid, klimat och rotation

Dagens längd är inte en fast naturkonstant. Utöver klimat och tidvatten spelar jordbävningar, vulkanutbrott och processer i jordens djupa mantel också en roll. En kraftig jordbävning kan öka eller minska rotationen ganska lite — dock i ännu mindre språng.

Den nya studien gör framför allt klart hur starkt den nuvarande klimatregimen griper in i grundläggande planetära processer. Detta berör ett bredare begrepp inom geovetenskaperna: Antropocen — den epok då mänsklig aktivitet spelar en huvudroll i jordens geologi.

Sett i ett långsiktigt perspektiv ser man också kumulativa effekter. Ett par millisekunder per århundrade låter lite, men på skalan av hundratusentals år förskjuts tidsräkningen märkbart i förhållande till jordens position. För framtida generationer av astronomer, geologer och ingenjörer blir det avgörande att korrigera historiska data korrekt för dessa förskjutningar.

För närvarande ligger utmaningen främst inom två områden: att begränsa uppvärmningen så att effekten på rotationen inte eskalerar ytterligare — och att designa smartare system som fungerar felfritt på en planet som inte längre roterar helt så jämnt som vi länge trodde.