În căutarea timpului pierdut: Enigma lui Munk, piscinae romane și eclipse antice

From this hour I ordain myself loos’d of limits and imaginary lines

Walt Whitman, 1865

Pe lângă mult discutatele creșteri ale temperaturii (cca. 0,8°C) și ale concentrației de CO2 din atmosferă (cca. 0,0125%) față de perioada imediat anterioară revoluției industriale, un alt parametru crucial al actualei perioade interglaciare, mult mai puțin abordat de mass-media, respectiv de opinia publică, este variația nivelului global mediu al oceanelor (GMSL ori Global Mean Sea-Level) ca indicator major al schimbărilor climatice.

O cercetare mai atentă a acestui parametru oferă o fascinantă poveste despre căutarea timpului pierdut, care a început cu o enigmă.

Profesorul de geofizică Walter Munk, care împlinește 101 ani astăzi, pe 19 octombrie 2018, este considerat Einstein-ul oceanelor (dar fără premiu Nobel, pentru că nu se acordă în geoștiințe) și patriarhul oceanografiei americane.

În 2002, Munk a publicat un articol – Twenty century sea level: An enigma – care a perplexat comunitatea climatologilor. Ce s-a întâmplat?

Din geofizica marină, știm că variațiile GMSL în raport cu crusta terestră mobilă sunt controlate în principal de doi factori: schimbările în volumul oceanului planetar (componentasterică, dominată de expansiunea termică) și schimbările în masa oceanului planetar (componenta eustatică, dominată de topirea ghețarilor și stocarea apei pe continente).

La sfârșitul ultimei ere glaciare, cu cca 20,000 ani în urmă, nivelul global oceanic era la -125 m sub acel actual, apoi a crescut rapid, ajungând la aprox. -2 m în jurul anului 4000 î.e.n., după care, în jurul lui 2000 î.e.n., creșterea s-a diminuat semnificativ (Fig. 1).

Fig. 1. Modelul de evoluție al GMSL asumat de Munk pe baza datelor și modelelor publicate. După ultimul maxim glacial de acum 20.000 ani, nivelul global oceanic a crescut cu 125 m și, începând din anul 4.000 î.e.n., a rămas la cca -2 m față de nivelul actual. După Mica Glaciație, nivelul mării a crescut din 1900 cu 1,8 mm/an (rata istorică, o combinație între componenta sterică și eustatică), reprezentând un total de 18 cm până în anul 2000. Începând din 1950, are loc și o creștere a GMSL de 0,6 mm/an, datorată expansiunii termale asociate cu încălzirea globală (rata influenței gazelor cu efect de seră), reprezentând un total de 3 cm. Până în anul 2000, nivelul mediu global al oceanelor ar fi trebuit să crească cu 18+ 3 = 21 cm. (din Munk, 2002)

Raportul oficial al IPPC (Intergovernmental Panel on Climate Change) din 2001 alocă creșterii GMSL din ultimul secol o contribuție eustatică de 0,06 mm/an. Dacă însă facem scăderea

21 cm (date istorice) – 3 cm (încălzire globală) – 6 cm (topirea ghețarilor)

rămân 12 cm de creștere a nivelului mării care nu pot fi explicați, adică mai mult de jumătate din creșterea GMSL. Munk a calculat că cei 12 cm lipsă „la apel” ar necesita fie o creștere a componentei sterice cu 10^24 J pentru căldură stocată în ocean, fie topirea suplimentară a 40.000 gigatone de gheață în secolul al 20-lea (componenta eustatică). Ambele condiții sunt imposibil de acceptat din considerente istorice. Aceasta este prima parte a enigmei pe care Walter Munk a prezentat-o lumii academice în 2002.

Cum se măsoară nivelul global oceanic?

În ultimii 300 ani, măsurarea GMSL s-a făcut cu niște dispozitive relativ simple – maregrafe – constând dintr-un cilindru deschis în care un flotor ca o minge de ping-pong se deplasează în sus și în jos, marcând fluxurile și refluxurile mareice. Mai recent, citirile maregrafelor se fac automat, utilizând un sistem GPS pentru transmiterea și integrarea datelor măsurate într-o rețea națională.

Cea mai mare bază de date ale nivelurilor medii oceanice, lunare și anuale, măsurate de maregrafe în sec. al 20-lea, este menținută de The Permanent Service for Mean Sea Level (PSMSL) constând din ∼2000 locații aflate în ∼200 țări. Calitatea înregistrărilor este variabilă, fiind influențată negativ de mai mulți factori: răspândire neuniformă (predomină locațiile din emisfera nordică; sunt foarte puține stații aflate la latitudini mai mari de 60°), locații pe zone cu subsidență ori ajustare izostatică glacială active, vecinătatea marilor zone urbane, unde se extrage intens apa subterană, măsurători incomplete etc.

O compilație a câtorva zeci de înregistrări de bună calitate ale nivelului mării făcute în secolul al 20-lea cu maregrafe distribuite global este ilustrată în Fig. 2.

Fig. 2. Măsurători cu maregrafe ale GMSL între 1900 și 2001. Punctele roșii sunt date obținute din Church et al. (2004)din, iar cele albastre din Jevrejeva et al. (2006). Compilația este preluată din Cazenave și Llove (2010)[1]. Ratele de creștere din articol sunt estimări personale.

Conform Fig. 2, în prima parte a secolului trecut (1900 – 1930), rata de creștere a GMSL a fost relativ nesemnificativă, < 0,5 mm/an. După care, s-a înregistrat o rată de creștere de ~1,8 mm/an, valoare folosită și de Munk (2002).

O analiză ulterioară a înregistrărilor făcute de 622 maregrafe incluse în PSMSL a scăzutrata de creștere a GMSL în perioada 1901 – 1990 la 1,2±0,2 mm/an[2].

Ce putem spune despre variațiile nivelului mării în antichitate?

O lucrare de referință a fost publicată în 2004 de un colectiv de cercetători italieni conduși de un profesor de geofizică australian, Kurt Lambeck[3]. Autorii au folosit în mod ingenios o realitate arhitecturală din perioada romană cuprinsă între 100 î.e.n. și 100 e.n.

Romanii bogați, care aveau vile în zonele centrale ale Mediteranei (de ex., pe malul Mării Tyrheniene), și-au construit bazine de creștere a peștelui, numite piscinae. Deși limba română este bazată pe cea latină, noi folosim cuvântul piscină (preluat din franceză) pentru a numi în principal un bazin de înot. Atunci când este destinat creșterii peștelui, bazinul respectiv poartă un nume de origine maghiară, heleșteu sau eleșteu (din mg. halastό).

Piscinele romane erau săpate în stâncă și comunicau cu marea printr-o ecluză ingenioasă (Fig. 3). Pentru a mânca pește proaspăt zilnic, arhitecții romani au prevăzut ca partea de sus a ecluzei să depășească nivelul refluxului cu 20 cm. Astfel, în piscină putea intra zilnic apă proaspătă și, în același timp, se limita evadarea peștilor în timpul fluxului. Pentru evacuarea apei stătute, ecluza era prevăzută la partea inferioară cu orificii mici de evacuare a apei prin care peștii nu putea scăpa din bazin.

Măsurând pozițiile părților de sus ale ecluzelor din 12 piscine romane antice în raport cu mareele actuale, autorii au concluzionat că nivelul local al Mării Tyrheniene a crescut în ultimii 2.000 ani cu 130 mm, adică cu 0,065 mm/an, o rată semnificativ mai mică decât cea indicată de maregrafe.

Fig. 3. Ruinele piscinelor romane din La Banca (A), lângă Anzio, și Punta della Vipera (B), lângă Civitavecchia, de pe malul estic al Mării Tyrheniene. Profesorul Lambeck stă pe un zid al piscinei și apa abia îi ajunge până la glezne. Nivelul mării a crescut în zona respectivă cu ~130 mm în ultimii 2000 ani, adică cu o rată medie de ~0,065 mm/an. (Sursa: Fig. 2 din Lamback et al., 2004)

Măsurătorile altimetrice satelitare din perioada 1993 – 2017 (TOPEX/Poseidon, Jason-1, Jason-2, și Jason-3) indică o rată de creștere a GMSL de ~3,0 ± 0,4 mm/an, adică circa 7 cm în 25 ani[4].

Numai că trebuie subliniat imediat că este vorba despre măsurători diferite de cele efectuate de maregrafe. Sateliții măsoară schimbările în înălțimea suprafeței mării (nivelul absolut al suprafeței potențiale care descrie geoidul), în timp ce maregrafele oferă date privind variațiile relative ale suprafeței mării în raport cu nivelul crustei, adică indică nivelul relativ al mării. Acesta din urmă este o măsură directă a schimbărilor în volumul oceanului (și a impactului combinat al topirii ghețarilor și al efectelor sterice), dar primul nu este, deoarece nu ia în considerare deformarea crustei prin diverse fenomene geologice (ajustare izostatică glacială, subsidență în zonele deltaice, acțiuni specifice în zonele tectonice active etc.). De multe ori, literatura de specialitate le consideră echivalente, introducând confuzii nedorite în estimările variațiilor GMSL.

Să recapitulăm: trei seturi diferite de măsurători ale nivelului global al oceanelor după ultima glaciație oferă trei rate de creștere diferite:

• ~0,065 mm/an pentru ultimii 2.000 ani;
• ~1,8 mm/an pentru ultimii 300 ani;
• ~3 mm/an pentru ultimii 25 ani.

Care dintre cele trei valori ale GMSL trebuie considerate pentru rezolvarea primei părți a enigmei lui Munk? Greu de răspuns.

În căutarea timpului pierdut: Eclipse antice, maree și efectele ultimei glaciații

Munk a mai făcut o observație interesantă în formularea enigmei sale: Unde s-a dus toată gheața care s-a topit după ultima glaciație și ce efecte a produs?

Dacă banchizele și calotele glaciare se topesc, asta se întâmplă aproape de poli, iar cea mai mare parte a apei rezultate se deplasează către ecuator. Această mișcare este similară cu cea a unui patinator care, în timpul rotirii pe gheață, își desface brațele. Topirea ghețurilor de acum 20.000 ani va produce o încetinire a rotației Pământului.Cauză majoră în această situație este efectul de frânare produs de mareele care se sparg de țărmuri, așa numita disipare mareică. În plus, se produce și un alt efect: axa de rotație a Pământului va oscila puțin (migrarea polilor) pentru că topirea ghețurilor nu este perfect simetrică, iar apa rezultată se va deplasa mai mult în unele părți ale planetei decât în altele. Aceste două efecte (încetinirea rotației planetei și deplasarea polilor axei de rotație) reprezintă alte două părți componente ale enigmei lui Munk. Să vedem ce răspunsuri posibile există.

Teoretic, se poate calcula cât de mult s-a schimbat rotația Pământului de-a lungul perioadei postglaciare, apoi se compară aceste schimbări cu cele pe care credem că le-a indus topirea glacială în același interval de timp și vedem dacă cele două măsurători se potrivesc una cu cealaltă.

Datele esențiale sunt oferite de eclipsele de soare și lună înregistrate cu mare acuratețe de astronomii babilonieni, chinezi, arabi și greci (Fig. 4).

Fig. 4. Date despre eclipse, precum acest raport babilonian scris cu cuneiforme pe o tabletă de argilă din 30 ianuarie 10 î.e.n., relevă că rotația Pământului s-a încetinit de-a lungul timpului (Courtesy of The British Museum)

O compilație extrem de migăloasă a eclipselor din perioada 700 î.e.n. – 1990 e.n. a fost publicată pentru prima dată în 1995 de Stephenson și Morrison și revăzută în 2003 de Stephenson (Fig. 5).

Fig. 5. Analiza eclipselor antice derivată din eclipsele babiloniene, chineze, arabe și grecești sugerează o încetinire a rotației Pământului suficientă să producă o eroare temporală D(elta)T de ~5 ore (18.000 s) în perioada 700 BC – 1990 AD. (modificat după Sursa[5])

Eroarea D(elta)T reprezintă diferența între timpul de apariție al unei eclipse, care este măsurat în timpul terestru (teoretic, o scală de timp invariabilă) și timpul universal, care este fixat la rotația Pământului din anul 1820 e.n. În ultimii 2.500 ani, s-a înregistrat o eroare de aprox. 5 ore (~18.000 s)[6].

Curba verde, care aproximează toate datele, indică o schimbare medie în lungimea zilei cu t = 1,70 ± 0,05 milisecunde/secol (ms/cy). Contribuția adusă de frânarea mareică (curba albastră) poate fi derivată independent din condiția ca momentul unghiular total al sistemului Pământ-Lună să fie conservat și a fost estimată la t = 2,3 ± 0,1 ms/cy (curba albastră întreruptă). În mod surprinzător, efectul mareic depășește valoarea totală a erorii temporale D(elta)T cu

1,7 – 2,3 = -0,6 ms/cy

După ultima glaciație, două fenomene opuse au modificat momentul de inerție al Pământului:

1) O ridicare (ajustare) izostatică a uscatului de la mari latitudini, acoperite anterior de ghețari, a produs o creștere a vitezei de rotație a planetei cu 0,6 ms/cy, și

2) O deplasare a maselor de apă topită către ecuator, a cauzat o încetinire a vitezei de rotație (creșterea lungimii zilei) cu 0,1 ms pentru fiecare 1 cm de ridicare eustatică a GMSL.

Dacă cei 12 cm „lipsă la apel” ar fi atribuiți topirii ghețarilor de la mare latitudine și deplasării lor către ecuator, atunci schimbarea media în lungimea zilei, în ms/cy, ar fi:

2,3 (frânare mareică) – 0,6 (ridicare izostatică) + 1,2 (ridicare reziduală) = 2,9 ms/cy

adică s-ar plasa deasupra curbei verzi(1,7 ms/cy) din Fig. 5, ceea ce contrazice ipoteza creșterii eustatice a GMSL prin topirea ghețarilor ultimei glaciații.

În căutarea timpului pierdut continuă.

Migrația polilor rotaționali (o noțiune introdusă de tectonica plăcilor) poate fi estimată printr-un model matematic: când are loc o ridicare eustatică globală, polii de rotație răspund printr-o deplasare către sursa topirii. În timpul ultimului secol, pe baza măsurătorilor geodetice și astronomice, polul nord rotațional a migrat cu 10,81±0,03 m către locația 79,2°±0,2°W din Hudson Bay, confirmând o creștere a vitezei de rotație a Pământului cu 0,6 ms/cy.[7]

Să recapitulăm acum.

În 2002, Munk a lansat o provocare comunității științifice (mai puțin mass-mediei, care nu s-a grăbit s-o popularizeze din motive bine-cunoscute de political corectness) în legătură cu creșterea nivelului mediu global al oceanelor în secolul al 20-lea, așa cum fusese prezis de documentele oficiale IPCC din 2001.

Mai întâi, Munk a demonstrat că estimările predominante din ultimul secol cu privire la creșterea GMSL cu ~1,8 mm/an, implică două fenomene care nu s-au întâmplat în realitate: fie o creștere excesivă a energiei termice stocate în apa oceanelor, fie o topire adițională a unor imense cantități de gheață, ambele necesitând o încălzire globală de o magnitudine nedovedită.

Apoi, Munk a listat două observații canonice referitoare la rotația Pământului: i) rata de încetinire a rotației de-a lungul ultimilor trei milenii, așa cum reiese din studiul eclipselor antice, nu este confirmată de o creștere adecvată a frânării mareice, care ar fi trebuit să acționeze dacă nivelul oceanelor ar fi crescut conform datelor oficiale IPCC; ii) schimbările în orientarea vectorului de rotație al Pământului din ultimul secol sunt conforme cu un model al ajustării izostatice post-glaciale, care indică o creștere a vitezei de rotație a planetei.

Cele trei elemente constitutive ale enigmei Munk din 2002 au clătinat serios punctele de vedere oficiale cu privire la schimbările climatice, exprimate de IPCC – organizație care, împreună cu Al Gore, a primit Premiul Nobel pentru Pace, 2007, for their efforts to build up and disseminate greater knowledge about man-made climate change, and to lay the foundations for the measures that are needed to counteract such change.

La vremea aceea, IPCC considera că expansiunea termică a oceanelor era candidatul ideal pentru exemplificarea încălzirii globale produse de oameni. Dar oamenii de știință au calculat că componenta sterică a creșterii GMSL este prea mică, prea tardivă și prea liniară.

Dovezile produse de „căutarea timpului pierdut” – studiul eclipselor antice – exclud o componentă eustatică largă rezultată prin topirea Antarcticii și Groenlandei. Totuși, dacă ar fi avut loc topiri excesive și la poli și în zonele cu climă temperată, ar fi fost posibilă o reconciliere cu datele rotaționale.

• citeste intreg articolul si comenteaza pe Contributors.ro