Zapory przesuwają bieguny Ziemi

Wyniki badania prowadzonego przez zespół naukowców z Harvard University dają nowe spojrzenie na wpływ działalności człowieka na fizykę naszej planety. Choć budowa sztucznych zbiorników wodnych kojarzy się głównie z gospodarką wodną i produkcją energii, to autorzy pokazują, że miliony metrów sześciennych wody zatrzymane przez zapory potrafią… przesunąć bieguny Ziemi. Zjawisko to nosi nazwę True Polar Wander (TPW), czyli rzeczywistej wędrówki biegunów i wynika ze zmiany rozkładu masy na powierzchni globu.

Dane źródłowe i zakres czasowy analizy

Zespół badawczy pod kierunkiem Nataschy Valencic przeanalizował dane z bazy GRanD (Global Reservoir and Dam), obejmującej 6862 sztuczne zbiorniki o pojemności powyżej 0,1 km³, z lat 1835–2011. Według ich obliczeń, uwzględniających poprawki na filtrację i napełnienie poniżej maksymalnej pojemności (wg parametrów Chao et al., 2008), łączna ilość zgromadzonej w nich wody odpowiada obniżeniu średniego poziomu morza (GMSL) o 21,8 mm.

Co ważne, aż 88 proc. tej objętości – czyli 19 mm – zgromadzono dopiero po 1950 r., co wyraźnie wpłynęło na tempo i kierunek TPW w drugiej połowie XX w.

Zespół badawczy wykorzystał zaawansowane algorytmy numeryczne i model sejsmiczny Ziemi PREM (Dziewonski & Anderson, 1981), zakładając, że zmiany rozkładu masy zachodzą na tyle szybko, że deformacja Ziemi jest czysto elastyczna. Uwzględniono też wpływ rotacji planety i interakcji między zatrzymywaniem wody (impoudment) a redystrybucją mas w oceanach.

TPW obliczono osobno dla samego impoundmentu oraz dla łącznego efektu impoundmentu i odpowiadających mu zmian w oceanach. W obu przypadkach wyniki przedstawiono z dużą precyzją.

Zapory wodne w Sudetach do 1945 roku – historia, która nadal nas chroni

Ruch bieguna: odwrócenie kierunku po 1954 r.

Z badań amerykańskich naukowców wynika, że w latach 1835–1954 biegun przemieścił się o 20,5 cm w kierunku 103,4°E, z czego tylko 0,7 cm miało miejsce w XIX w. Po 1954 r. kierunek ruchu się odwrócił – biegun przesunął się o 57,1 cm w stronę −117,5°E.

W okresie 1835–2011 długość ścieżki TPW wyniosła 113,4 cm, z czego aż 103,8 cm przypadło na XX w.

Średnie tempo ruchu bieguna w XX w. obliczono jako (−0,30; −0,23) cm/rok, gdzie wartości odpowiadają kierunkom 0°E (południk Greenwich) i 90°E. Dla porównania warto dodać, że zespół Adhikari et al. (2018), bazując na wcześniejszych szacunkach Chao et al. (2008), wyliczył znacznie mniejszą zmianę, bo tylko (−0,14; −0,78) cm/rok.

Zmiana kierunku TPW po 1954 r. wiąże się z geograficzną ewolucją lokalizacji największych sztucznych zbiorników. Do połowy XX w. dominowały inwestycje w Ameryce Północnej – masa wody skupiona na tym kontynencie powodowała odsunięcie osi rotacji od tej lokalizacji. Po 1954 r. budowa zapór zintensyfikowała się w Azji i Afryce Wschodniej, co skutkowało przesunięciem bieguna w przeciwnym kierunku – ku zachodowi.

Wspomniane zmiany są zgodne z zasadą zachowania momentu pędu: biegun przemieszcza się w przeciwną stronę niż miejsce skupienia dodatkowej masy.

Wpływ pominiętych zbiorników – czy 28 proc. robi różnicę?

Według danych z bazy GRanD objętość zatrzymanej wody jest o 28 proc. niższa niż wskazują szacunki Komisji Międzynarodowej ds. Wielkich Tam (WRD). Autorzy sprawdzili, czy brakujące dane – najprawdopodobniej dotyczące tysięcy małych zbiorników poniżej 0,1 km³ – istotnie wpływają na końcowy wynik.

Analiza pokazała, że po uwzględnieniu ok. 6 tys. największych spośród pominiętych wcześniej małych zbiorników, pozycja bieguna praktycznie się ustabilizowała. Wynika z tego, że małe zbiorniki miały znikomy wpływ na TPW.

Zatrzymanie wody kontra oceany – co ma większy wpływ?

Chociaż w pierwszej połowie XX w. efekt TPW był wywoływany przez same zbiorniki, to w drugiej połowie równie istotne okazały się zmiany masy w oceanach, będące konsekwencją zatrzymywania wody. Na przesunięcie TPW o ok. 44 cm w latach 1835–2011 oba te czynniki wpłynęły w podobnym stopniu. Oznacza to, że oba powinny być brane pod uwagę przy analizie wpływu działalności człowieka na rotację Ziemi.

Badanie Valencic i współautorów pokazuje, że w ciągu niespełna dwóch stuleci zatrzymanie wody w sztucznych zbiornikach spowodowało przesunięcie bieguna Ziemi o ponad metr. Odbywało się to ruchem niemonotonicznym, a jego kierunek zmienił się po 1954 r. w odpowiedzi na zmiany w lokalizacji dużych zbiorników wodnych. Średnie tempo ruchu w drugiej połowie XX w. było trzykrotnie większe niż w pierwszej.

To jedno z pierwszych badań, którego wyniki tak szczegółowo pokazują, jak ludzka inżynieria – budowa zapór – może oddziaływać na fundamentalne parametry fizyczne planety, w tym położenie jej osi obrotu.

---

zdj. główne: Gabor Koszegi/Unsplash

Źródła:

Valencic, N., Speiser, E., Doi, E., Lee, E. T., Ford, B., Hatzius, A., et al. (2025). True polar wander driven by artificial water impoundment: 1835–2011. Geophysical Research Letters, 52, e2025GL115468. https://doi.org/10.1029/2025GL115468

Chao, B. F., Wu, Y. H., & Li, Y. S. (2008). Impact of artificial reservoir water impoundment on global sea level. Science, 320(5873), 212–214. https://doi.org/10.1126/science.1154580

Dziewonski, A. M., & Anderson, D. L. (1981). Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 25(4), 297–356. https://doi.org/10.1016/0031-9201(81)90046-7