Środek masy Ziemi przesuwa się co roku. Zmierzyli to co do milimetra

Ziemia wydaje się czymś absolutnie nieruchomym. Tymczasem jej środek masy wykonuje w ciągu roku niewielki, ale całkowicie realny taniec. Wystarczą roztopy, deszcze, śnieg, oceany i zmiany ciśnienia atmosferycznego, aby miliardy ton wody i powietrza przemieściły się po powierzchni planety, przesuwając jej środek masy o kilka milimetrów.

Naukowcy z NASA zajmują się tym zagadnieniem, śledząc oscylacje, ponieważ środek masy Ziemi jest kluczowym punktem odniesienia dla nawigacji satelitarnej i pomiarów wysokości.

Zespół kierowany przez Jet Propulsion Laboratory NASA w Południowej Kalifornii zaproponował sposób obliczania wahań sezonowych z ekstremalną precyzją. Technika i wyniki zostały szczegółowo opisane w nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Geophysical Journal International. Autorzy przedstawiają sugestywny obraz wiosennych roztopów, wzburzonych oceanów i gęstego zimowego powietrza, które przenosi ogromne obciążenia powierzchniowe w zależności od pory roku.

Badanie to nie jest pierwszą próbą ustalenia środka masy Ziemi. Naukowcy przez dziesięciolecia opracowali szereg kosmicznych technik jego definiowania i lokalizacji. Tymczasem on cały czas się zmienia.

Gdyby Ziemia była twardą, niebieską kulką, jej środek masy po prostu nachodziłby na środek geometryczny. W rzeczywistości planeta kołysze się i ugina pod ciężarem wody, lodu i powietrza. Z tego powodu środek masy Ziemi nieustannie obraca się wokół swojego środka geometrycznego nawet o kilka milimetrów.

Jak dokładne są istniejące metody pomiaru rozmiaru obrotu? Dwa ostatnie międzynarodowe szacunki, wykonane w 2017 i 2023 r., różnią się o 7 mm, czyli mniej więcej tyle, ile wynosi wysokość trzech ułożonych na sobie pięciozłotówek plus moneta jeden grosz. Różnica wydawać może się niewielka, wręcz niezauważalna, dla astronomów to jednak bardzo dużo.

NASA postanowiła zmniejszyć niepewność, a pracami kierował geolog Donald Argus. Wykorzystano przy tym nową technikę opartą na ultraprecyzyjnym śledzeniu satelitów.

Napędzane grawitacją, satelity naturalnie krążą wokół środka masy Ziemi, jakby związane niewidzialnymi linami. Niewielkie zmiany odległości między satelitami a stacjami naziemnymi odzwierciedlają przesunięcie środka masy Ziemi.

Wykorzystanie satelitów do lokalizacji środka masy Ziemi nie jest nowym pomysłem. W rzeczywistości satelity, wystrzelone w 1976 i 1992 r., są dedykowane wyłącznie temu celowi. Przypominające kule dyskotekowe i ważące 408 kg, oba satelity Laser Geodynamics (LAGEOS 1 i 2) są usiane pryzmatami odbijającymi światło, które śledzą je z laserową precyzją za pośrednictwem stacji naziemnych rozmieszczonych w ponad 20 krajach na całym świecie.

Jednak jednym z ograniczeń satelitarnego pomiaru odległości laserowej jest nierównomierne rozmieszczenie stacji naziemnych na Ziemi. Nowa technika poprawia dokładność na dwa sposoby: dodaje śledzenie GPS wraz z danymi orbitalnymi z kilku satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej, co zapewnia zróżnicowany wachlarz celów.

Uwzględnia również wpływ ciężaru wody i lodu na odkształcanie skorupy ziemskiej, co powoduje, że stacje naziemne również są w stanie to zrobić.

Felix Landerer, jeden ze współautorów badania, zauważył, że choć te ruchy mogą wydawać się niewielkie, nasz współczesny świat opiera się na niezwykle dokładnych pomiarach położenia. - Dzięki odkryciu i zrozumieniu mechanizmów tego zjawiska możemy budować lepsze układy odniesienia, które ostatecznie przyniosą korzyści kartografii i nawigacji - od globalnej logistyki po rolnictwo precyzyjne - powiedział.

Autorzy badania śledzili sezonowe oscylacje środka masy Ziemi i przypisali przyczynę tym trzem kategoriom: oceanom, atmosferze i wodzie kontynentalnej (składającej się z lodu lądowego, śniegu, wody jezior i rzek, wilgoci gleby oraz wód gruntowych).

Stwierdzili, że akumulacja śniegu w Ameryce Północnej i Eurazji osiąga maksimum w marcu i przesuwa środek masy Ziemi o około 3 mm w kierunku bieguna północnego. Miesiąc później, w kwietniu, ilość wody deszczowej w dorzeczu Amazonki osiąga szczyt 2400 gigaton, przesuwając środek masy Ziemi o 2,2 mm w kierunku Ameryki Południowej. Woda monsunowa w Azji Południowo-Wschodniej osiąga maksimum 600 gigaton sześć miesięcy później, w listopadzie, nieznacznie zwiększając roczną oscylację.

Między sierpniem a październikiem oceany puchną od topniejącego lodu i deszczu, a środek masy Ziemi przesuwa się w kierunku południowego Pacyfiku. Ocean Spokojny jest tak duży, że zmiany masy w tym miejscu przyćmiewają utratę lub wzrost masy w innych oceanach, chociaż dynamika sezonowa w Morzu Śródziemnym, Czerwonym, Północnym, Bałtyckim i Barentsa przyczynia się do przesunięcia środka masy Ziemi w niewielkim stopniu.

Naukowcy wykorzystali model opracowany przez Europejskie Centrum Prognoz Średnioterminowych, aby oszacować, jak zmiany atmosferyczne wpływają na środek masy Ziemi w różnych porach roku. Odkryli, że zimne, gęste zimowe powietrze pomaga przechylić szalę nad Arabią, Azją i północną Afryką około 21 grudnia każdego roku, a nad Ameryką Południową i Afryką Południową około 21 czerwca.

W ten sposób powstaje niezwykły obraz Ziemi. Na pierwszy rzut oka jest to stabilna planeta, po której możemy chodzić, budować miasta i wytyczać drogi. Z punktu widzenia współczesnych instrumentów jest jednak nieustannie zmieniającym się układem, w którym oceany, atmosfera, śnieg, lodowce, rzeki i wody podziemne bez przerwy przemieszczają ogromne ilości materii.

A wraz z nimi, choć tylko o kilka milimetrów, wędruje również środek masy całej planety.

Dla człowieka to ruch praktycznie niezauważalny. Dla satelity i systemu nawigacyjnego może być jednak różnicą, której nie wolno zignorować.

Główna ilustracja stworzona przy pomocy AI.