पृथ्वी के घूर्णन अक्ष में बदलाव: बर्फ का पिघलना और फिगर स्केटर प्रभाव (Figure-Skater Effect)

पृथ्वी एक काल्पनिक रेखा के चारों ओर घूमती है, जिसे उसका अक्ष कहते हैं। लोग अक्सर सोचते हैं कि यह रेखा स्थिर है। ऐसा नहीं है। जहाँ अक्ष पृथ्वी की सतह से मिलता है, वह बिंदु हर साल थोड़ा खिसकता है। वैज्ञानिक इसे कहते हैं ध्रुवीय गति.

1.1 अक्ष कितना खिसका है?

नासा की जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी (NASA’s Jet Propulsion Laboratory, JPL) के अनुसार, पृथ्वी के घूमने का अक्ष लगभग इतना खिसका है: 10 मीटर 1900 से 2023 के बीच। यह लगभग 30 फीट है। पृथ्वी के आकार की तुलना में यह खिसकाव बहुत छोटा है। फिर भी सटीक समय मापने और दिशा व स्थान तय करने में यह महत्वपूर्ण है।

एक घूमते हुए लट्टू के बारे में सोचिए। घूमते समय उसकी नोक थोड़ी डगमगाती है। पृथ्वी का अक्ष भी इसी तरह डगमगाता है, लेकिन बहुत धीमी गति से।

वैज्ञानिक इसे कैसे मापते हैं? शुरुआती शोधकर्ता तारों की दिखाई देने वाली गति पर नज़र रखते थे। बाद में उन्होंने दूर के क्वासरों से आने वाले रेडियो संकेतों का इस्तेमाल किया। उन्होंने उपग्रहों की ओर भेजी गई लेज़र किरणों का भी इस्तेमाल किया।

1.2 डगमगाहट के अलग-अलग प्रकार कौन-से हैं?

2024 के एक अध्ययन के लेखकों के अनुसार, ध्रुवीय गति के चार भाग हैं:

• वार्षिक डगमगाहट: मुख्य रूप से वायुमंडल के कारण होती है।
• चैंडलर डगमगाहट (Chandler wobble): एक प्राकृतिक डगमगाहट, जिसका चक्र लगभग 14 महीनेका होता है। अध्ययन के लेखक इसे वायुमंडल और महासागरों से जोड़ते हैं।
• दशकीय उतार-चढ़ाव: दस वर्ष या उससे अधिक समय में होने वाले धीमे बदलाव।
• दीर्घकालीन रुझान: कई दशकों तक लगातार एक दिशा में खिसकना।

आम गलती: चैंडलर डगमगाहट बर्फ पिघलने के कारण नहीं होती। यह एक प्राकृतिक चक्र है।

1.3 घूर्णन अक्ष और भौगोलिक ध्रुवों में क्या अंतर है?

यह भौगोलिक अक्ष भौगोलिक उत्तरी और दक्षिणी ध्रुवों के बीच की काल्पनिक रेखा है। यही रेखा हम मानचित्रों पर खींचते हैं। यह घूर्णन अक्ष वह रेखा है जिसके चारों ओर पृथ्वी वास्तव में घूमती है।

दोनों की स्थिति बिल्कुल एक जैसी नहीं होती। JPL का एनिमेशन दिखाता है कि घूर्णन अक्ष भौगोलिक अक्ष से दूर खिसक रहा है। इसी अंतर को वैज्ञानिक ध्रुवीय गति कहते हैं।

एक ऐसे पहिए की कल्पना करें जिसके एक ओर मिट्टी का ढेला चिपका हो। अब पहिया अपने चिह्नित केंद्र के चारों ओर नहीं घूमता। वह थोड़ी अलग रेखा के चारों ओर घूमने लगता है। मिट्टी को दूसरी जगह रखने पर यह रेखा भी खिसक जाती है। (यह उदाहरण हमारा है, JPL का नहीं।)

1.4 एक मिलीआर्कसेकंड कितना छोटा होता है?

वैज्ञानिक ध्रुव की स्थिति को मापने के लिए इस्तेमाल करते हैं मिलीआर्कसेकंड, जिसे संक्षेप में mas कहते हैं। मिलीआर्कसेकंड एक बहुत छोटा कोण है। पृथ्वी की सतह पर यह लगभग इतनी दूरी के बराबर है: 3 सेंटीमीटर। यह आँकड़ा हमारी गणना पर आधारित है, जिसमें पृथ्वी की त्रिज्या लगभग 6,371 km मानी गई है।

Nature Geoscience में प्रकाशित शोधपत्र दो आँकड़े देता है। लंबे समय में खिसकने की दर लगभग है 3 mas प्रति वर्ष। इसके अलावा होने वाले उतार-चढ़ाव हैं 20 से 40 mas.

अब गणना जाँचें। प्रति वर्ष 3 mas लगभग 9 cm प्रति वर्ष के बराबर है। 120 वर्षों में यह लगभग 11 मीटर होता है। यह JPL के लगभग 10 मीटर के आँकड़े से मेल खाता है। यह गणना हमने खुद जाँच के लिए की है।

2.1 2024 के Nature Geoscience अध्ययन में क्या पता चला?

एक टीम ने ध्रुवीय गति के 120 वर्षों के आँकड़ों का अध्ययन किया। उसने इन मापों पर प्रशिक्षित न्यूरल नेटवर्क का इस्तेमाल किया। मुख्य निष्कर्ष ये थे:

• लंबे समय में खिसकने की प्रवृत्ति: इसका मुख्य कारण है हिमानी समस्थिति समायोजन (glacial isostatic adjustment) और मैंटल में संवहन (mantle convection)। हिमानी समायोजन का मतलब है कि पिछले हिमयुग के बाद भी भूमि धीरे-धीरे ऊपर उठ रही है।
• कम अवधि के उतार-चढ़ाव: सतह पर होने वाले बदलाव लगभग इतना हिस्सा समझाते हैं: 90% वार्षिक और कई दशकों में होने वाले उतार-चढ़ाव का। इन बदलावों में बर्फ का पिघलना और जमा पानी की मात्रा व स्थान में बदलाव शामिल हैं।
• क्रोड: पृथ्वी का तरल क्रोड भी लंबे समय की प्रवृत्ति और उतार-चढ़ाव, दोनों में योगदान देता है।

“द्रव्यमान के पुनर्वितरण” का क्या मतलब है? इसका मतलब है पानी और बर्फ का पृथ्वी पर एक जगह से दूसरी जगह जाना। इससे बदल जाता है कि पृथ्वी का भार कहाँ केंद्रित है।

JPL 20वीं सदी के बारे में एक और बात बताता है। सतह पर बदलावों के पैटर्न लगभग हर 25 वर्ष में कुछ बार दोहराए गए। शोधकर्ताओं का मानना है कि ये मुख्य रूप से प्राकृतिक जलवायु चक्र थे।

2.2 क्या खिसकने की दिशा बदली?

हाँ। 2021 के एक अध्ययन पर AGU की प्रेस विज्ञप्ति इसे समझाती है। वर्ष 1995, में ध्रुव के खिसकने की दिशा दक्षिण से बदलकर हो गई पूर्व की ओर। 1995 से 2020 के बीच औसत गति लगभग 17 गुना थी, 1981 से 1995 के बीच की गति की तुलना में।

अध्ययन ने इसका कारण भूमि पर जमा पानी की कमी को माना। इस पानी का अधिकांश हिस्सा हिमनदों की बर्फ था। AGU के अनुसार, अलास्का (Alaska), ग्रीनलैंड (Greenland), दक्षिणी एंडीज़ (Southern Andes), अंटार्कटिका (Antarctica), काकेशस (Caucasus) और मध्य पूर्व (Middle East) में बर्फ का पिघलना 1990 के दशक के मध्य में तेज हुआ।

JPL एक अलग शोधपत्र का भी उल्लेख करता है। उसमें वर्ष 2000 के आसपास से पूर्व की ओर खिसकाव को ग्रीनलैंड और अंटार्कटिका की बर्फ की चादरों के तेजी से पिघलने से जोड़ा गया था। उसमें यूरेशिया (Eurasia) में भूजल की कमी का भी उल्लेख था।

आम गलती: अक्ष “पलट” नहीं गया था। वह कुछ मीटर खिसका था; उसके झुकाव में कई डिग्री का बदलाव नहीं हुआ था।

2.3 कारणों के तीन समूह कौन-से हैं?

2024 के अध्ययन के लेखकों ने कारणों को तीन समूहों में बाँटा। उन्होंने एक ही मॉडल में हर समूह के प्रभाव का पता लगाया।

• क्रोड की प्रक्रियाएँ: क्रोड और मैंटल की सीमा पर लगने वाला बलाघूर्ण और दबाव। साथ ही, आंतरिक क्रोड का झुकाव।
• मैंटल की प्रक्रियाएँ: भूकंप, धीमी मैंटल में संवहन, और पिछले हिमयुग के बाद ठोस पृथ्वी का फिर से ऊपर उठना। इस प्रक्रिया को कहते हैं हिमानी समस्थितिक समायोजन.
• जलवायु संबंधी प्रक्रियाएँ: ध्रुवीय हिम चादरों का पिघलना, हिमनदों का पिघलना, भूमि पर जमा पानी की मात्रा में बदलाव और इनके कारण समुद्र स्तर का बढ़ना।

पृथ्वी का क्रोड क्यों महत्वपूर्ण है? लेखकों का कहना है कि इसके कारण पृथ्वी के अलग-अलग हिस्सों के बीच कोणीय संवेग के आदान-प्रदान से जुड़े हैं। कोणीय संवेग का अर्थ है “घूर्णन की मात्रा”। यदि एक हिस्से का कोणीय संवेग बढ़ता है, तो दूसरे हिस्से का उतना ही कम होना चाहिए।

2.4 भूजल, हिमनद और समुद्र स्तर पृथ्वी के अक्ष को कैसे खिसकाते हैं?

JPL पृथ्वी की सतह से जुड़े प्रभाव को आसान चरणों में समझाता है। कभी-कभी हिम चादरें और हिमनद बर्फबारी से जितना बढ़ते हैं, उससे अधिक पिघल जाते हैं। कभी-कभी जलभृतों से जितना भूजल निकलता है, बारिश उतना वापस नहीं भर पाती। दोनों स्थितियों में द्रव्यमान एक जगह से दूसरी जगह जाता है।

द्रव्यमान के इस स्थानांतरण से पृथ्वी घूमते समय डगमगाती है। इससे उसके घूमने की गति भी थोड़ी धीमी होती है। वैज्ञानिकों ने 1900 से इन दोनों प्रभावों को दर्ज किया है।

• समझाया गया हिस्सा: लगभग 90% बार-बार होने वाले उतार-चढ़ाव का हिस्सा, जो 1900 से 2018 के बीच भूजल, हिम चादरों, हिमनदों और समुद्र स्तर के कारण हुआ।
• बाकी हिस्सा: यह मुख्य रूप से पृथ्वी के अंदरूनी भाग के कारण था। इसका एक उदाहरण आंतरिक क्रोड के झुकाव से होने वाला डगमगाना है।
• भूजल: एक अलग शोधपत्र ने पूर्व की ओर खिसकने को यूरेशिया (Eurasia) में भूजल की कमी से जोड़ा।

क्या यह सब मनुष्यों के कारण होता है? नहीं। मुख्य लेखक मुस्तफ़ा कियानी शाहवंदी (Mostafa Kiani Shahvandi) का कहना है कि मानवीय गतिविधियों की भी भूमिका है। वे यह भी कहते हैं कि इन दोलनों पर मुख्य प्रभाव जलवायु तंत्र में होने वाले प्राकृतिक बदलावों के पैटर्न का है।

3.1 स्केटर से घूमने की गति को कैसे समझ सकते हैं?

स्केटर अपनी बाँहें शरीर के पास खींचकर तेजी से घूमता है। बाँहें फैलाने पर उसके घूमने की गति धीमी हो जाती है। द्रव्यमान बाहर की ओर जाता है, इसलिए घूमने की गति धीमी होती है।

JPL पृथ्वी के लिए भी यही उदाहरण देता है। हिम चादरों के तेजी से पिघलने से द्रव्यमान ध्रुवों से भूमध्य रेखा के पास के महासागरों की ओर जाता है। इससे पृथ्वी थोड़ी चपटी होती है। उसके घूमने की गति धीमी होती है और दिन लंबा होता है।

भूमध्य रेखा ही क्यों? पिघली बर्फ का पानी महासागरों में बह जाता है। JPL के अनुसार, द्रव्यमान ध्रुवों से भूमध्य रेखा के पास के महासागरों की ओर जाता है।

3.2 दिन कितना लंबा हो रहा है?

JPL ने 15 जुलाई 2024 को इस पत्रिका में प्रकाशित एक अध्ययन की जानकारी दी है: PNAS। 2000 से 2018 के बीच बर्फ और भूजल में बदलाव से दिन की अवधि इस दर से बढ़ी: प्रति शताब्दी 1.33 मिलीसेकंड। यह पिछले 100 वर्षों के किसी भी समय की दर से अधिक है, जब यह 0.3 से 1.0 के बीच थी।

अभी चंद्रमा का प्रभाव अधिक है। चंद्रमा के कारण पैदा होने वाला ज्वारीय घर्षण दिन की अवधि लगभग इस दर से बढ़ाता है: प्रति शताब्दी 2.4 मिलीसेकंड। JPL के अनुसार, जलवायु का प्रभाव यहाँ तक पहुँच सकता है: 2.62 यदि उत्सर्जन बढ़ता रहा।

3.3 घड़ियों और लीप सेकंड के लिए इसका क्या मतलब है?

डंकन एग्न्यू (Duncan Agnew) ने इस पत्रिका में एक शोधपत्र प्रकाशित किया: Nature में 27 मार्च 2024 को। उन्होंने पाया कि ग्रीनलैंड (Greenland) और अंटार्कटिका (Antarctica) में बर्फ के तेजी से पिघलने से पृथ्वी के घूमने की गति अधिक तेजी से धीमी हुई है।

उनके पूर्वानुमान के अनुसार, समन्वित सार्वभौमिक समय (UTC) में इसकी जरूरत होगी: ऋणात्मक लीप सेकंड इस समय तक: 2029। हाल में बर्फ न पिघली होती, तो इसकी जरूरत पड़ती 3 साल पहले.

अब तक UTC में जोड़ा गया हर लीप सेकंड धनात्मक रहा है। ऋणात्मक लीप सेकंड पहली बार होगा।

3.4 कुछ मिलीसेकंड का अंतर क्यों मायने रखता है?

एक मिलीसेकंड, एक सेकंड का हज़ारवाँ हिस्सा होता है। आप इसे महसूस नहीं कर सकते। फिर भी JPL का कहना है कि इस देरी को गणना में शामिल करना ज़रूरी है। GPS सहित कई आधुनिक तकनीकें समय के सटीक मापन पर निर्भर करती हैं।

दिन की अवधि बहुत लंबे समय से बढ़ रही है। ग्रहणों के ऐतिहासिक रिकॉर्ड बताते हैं कि यह हज़ारों वर्षों से बढ़ रही है। इसका मुख्य कारण है चंद्र ज्वारीय घर्षण , जो ज्वार-भाटे पर चंद्रमा के खिंचाव से पैदा होता है। JPL के अनुसार, अरबों वर्षों से यही मुख्य कारण रहा है।

जलवायु का यह नया प्रभाव छोटा है, लेकिन बढ़ रहा है। JPL के अनुसार, अगर उत्सर्जन में तेज़ी से कमी आती है, तो 2100 तक इस प्रभाव की बढ़ने की गति धीमी हो सकती है। अगर उत्सर्जन बढ़ता रहा, तो यह चंद्रमा के प्रभाव से भी अधिक हो सकता है।

4.0 कौन-से उपकरण अक्ष की स्थिति पर नज़र रखते हैं?

JPL उपकरणों की तीन पीढ़ियों का उल्लेख करता है:

• तारे: शुरुआती वैज्ञानिक यह देखते थे कि तारे किस तरह चलते हुए दिखाई देते हैं।
• रेडियो संकेत: बाद में उन्होंने इस्तेमाल किया अति दीर्घ आधाररेखा व्यतिकरणमिति (very long baseline interferometry)। यह दूर स्थित क्वासरों से आने वाले रेडियो संकेतों का विश्लेषण करती है।
• लेज़र: उन्होंने यह तकनीक भी इस्तेमाल की: उपग्रह लेज़र दूरी मापन (satellite laser ranging), जिसमें उपग्रहों की ओर लेज़र किरणें भेजी जाती हैं।

ये उपकरण बताते हैं कि अक्ष कहाँ है। दूसरे प्रकार के उपकरण पता लगाते हैं कि वह क्यों खिसकता है। ये उपकरण अंतरिक्ष से बर्फ और पानी का द्रव्यमान मापते हैं। GRACE और GRACE-FO इसके सबसे प्रसिद्ध उदाहरण हैं।

4.1 GRACE-FO बर्फ का द्रव्यमान कैसे मापता है?

GRACE NASA के दो उपग्रहों की जोड़ी थी, जो 2002 से 2017 तक अंतरिक्ष में सक्रिय रही। GRACE-FO को 22 May 2018 को प्रक्षेपित किया गया और यह उस काम को आगे बढ़ा रहा है। दोनों उपग्रह लगभग 220 km की दूरी पर उड़ते हैं। वे आपस की दूरी मापने के लिए माइक्रोवेव संकेत भेजते हैं।

जिस क्षेत्र में अधिक द्रव्यमान होता है, वह पहले आगे चल रहे उपग्रह को खींचता है। इससे दोनों के बीच की दूरी बदलती है। वैज्ञानिक इन बदलावों से बर्फ, भूजल और समुद्र के स्तर के मानचित्र बनाते हैं।

दो और उपकरण मापों को सटीक रखने में मदद करते हैं। एक त्वरणमापी (accelerometer) हर उपग्रह पर लगा होता है और हवा के प्रतिरोध जैसे गुरुत्वाकर्षण के अलावा लगने वाले बलों को मापता है। GPS रिसीवर हर उपग्रह की स्थिति एक सेंटीमीटर या उससे भी कम की सटीकता से बताते हैं। NASA के अनुसार, इन आँकड़ों से पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के मासिक मानचित्र बनते हैं।

4.2 क्या सौर ज्वालाएँ अक्ष को खिसकाती हैं?

जिन स्रोतों को खोलकर देखा गया, उनमें से कोई भी ऐसा नहीं कहता। NOAA बताता है कि सौर ज्वालाएँ और CMEs किन चीज़ों को प्रभावित करते हैं।

• सौर ज्वालाएँ: एक्स-किरणें और पराबैंगनी प्रकाश आयनित करते हैं आयनमंडल को। इससे पृथ्वी के सूर्य की रोशनी वाले हिस्से में रेडियो संचार ठप हो जाता है।
• CMEs (कोरोनल मास इजेक्शन): इनसे पैदा हो सकते हैं भू-चुंबकीय तूफ़ान.

इनमें से कोई भी प्रभाव पृथ्वी के घूर्णन अक्ष का खिसकना नहीं है। अक्ष इस बात पर निर्भर करता है कि पृथ्वी का अपना द्रव्यमान कैसे फैला हुआ है। यह हिस्सा हमारा तर्क है, NOAA का उद्धरण नहीं।

आम गलती: सौर गतिविधि रेडियो संचार और अंतरिक्ष के मौसम को बदलती है। बर्फ का पिघलना और पानी का भंडारण ध्रुवीय गति को बदलते हैं।

4.3 आपको क्या याद रखना चाहिए?

• ध्रुवीय गति: घूर्णन अक्ष लगभग 10 मीटर खिसका, 1900 से 2023 के बीच।
• कारण: लंबे समय के रुझान के मुख्य कारण हैं भू-पर्पटी का वापस ऊपर उठना और मैंटल का प्रवाह; उतार-चढ़ाव के मुख्य कारण हैं सतह का पानी और बर्फ।
• दिशा में बदलाव: में 1995 खिसकाव मुड़ गया पूर्व की ओर.
• दिन की अवधि: बढ़ी प्रति सदी 1.33 मिलीसेकंड (2000 से 2018)।
• लीप सेकंड: एक ऋणात्मक लीप सेकंड का अनुमान है 2029 (Agnew, 2024)।
• सौर ज्वालाएँ: ये रेडियो और अंतरिक्ष मौसम को प्रभावित करती हैं, पृथ्वी की धुरी को नहीं।