Wewnątrz Ziemi trwa wielkie przeciąganie liny. To dlatego doba nie ma 24 godziny

Kiedy patrzymy na zegarek, zakładamy, że jedna doba zawsze trwa tyle samo. W rzeczywistości obrót Ziemi wokół własnej osi nie jest idealnie równy. Planeta zachowuje się bardziej jak ogromny, niezwykle skomplikowany mechanizm niż perfekcyjny zegar.

Różnice są oczywiście mikroskopijne. Mówimy o milisekundach, czyli tysięcznych częściach sekundy. Dla człowieka są kompletnie niezauważalne, ale dla współczesnej geofizyki stanowią bardzo cenną informację. Naukowcy potrafią mierzyć zmiany długości doby i na ich podstawie próbować odtworzyć to, co dzieje się tysiące kilometrów pod powierzchnią Ziemi.

Od około trzech dekad naukowcy wiedzą, że płynne jądro Ziemi nie zawsze obraca się z tą samą prędkością. Zmiany w polu magnetycznym planety ujawniły, że płynne jądro może stopniowo przyspieszać przez kilka dekad, a następnie zwalniać w kolejnych dziesięcioleciach.

Jednocześnie płaszcz, czyli skalista warstwa o grubości około 3000 km, obejmująca skorupę ziemską, reaguje w przeciwnym kierunku. Gdy jądro przyspiesza, płaszcz nieznacznie zwalnia. Gdy jądro zwalnia, płaszcz przyspiesza, ponieważ moment pędu planety musi pozostać stały.

Zmiana prędkości obrotowej płaszcza może z czasem skrócić lub wydłużyć długość dnia o kilka milisekund.

Zrozumienie mechanizmu wymiany między jądrem a płaszczem do tej pory stanowiło dla naukowców zagadkę. Tajemnicę rozwiązali badacze z Uniwersytet Alberty, a wyniki ich pracy opublikowane zostały w artykule w prestiżowym czasopiśmie Nature.

Ich badania pokazują, że niewielkie zmiany prędkości obrotowej jądra Ziemi, stałego obszaru w centrum planety, mogą wytworzyć to, co naukowcy nazywają momentem grawitacyjnym. Ponieważ jądro nie jest idealnie kuliste, zmiany w jego ruchu mogą oddziaływać grawitacyjnie na nierównomierny rozkład masy w płaszczu.

Najciekawsze jest jednak to, że grawitacja nie działa tutaj samotnie. Na granicy jądra i płaszcza pojawiają się również momenty siły związane z oddziaływaniami elektromagnetycznymi oraz topografią tej granicy. Można potraktować je jak opór przeciwko zmianom wywoływanym przez grawitację.

Wewnątrz Ziemi trwa więc swoiste przeciągnie liny.

Z jednej strony grawitacja próbuje przywrócić odpowiednie ustawienie jądra wewnętrznego względem płaszcza. Z drugiej strony przepływy w płynnym jądrze oraz oddziaływania na granicy jądra i płaszcza przeciwdziałają temu ruchowi. To subtelna równowaga pomiędzy konkurującymi momentami siły decyduje o tym, jak w danym okresie zmienia się prędkość obrotowa płaszcza.

Według modelu autorów to właśnie grawitacyjny moment siły jest dominującym mechanizmem odpowiadającym za obserwowane wielodekadowe zmiany długości doby, podczas gdy oddziaływania na granicy jądra i płaszcza ograniczają skalę tych zmian.

Nie oznacza to oczywiście, że któregoś dnia obudzimy się i nagle zamiast 24 godzin dostaniemy 24 godziny i kilka sekund.

Zmiany są o wiele mniejsze. Dane obejmujące lata 1964–2019 pokazują wahania długości doby rzędu kilku milisekund, występujące w skalach czasowych od około 10 do 70 lat. Badacze skupili się przede wszystkim na długookresowych zmianach związanych z cyklem trwającym około 60–70 lat.

Dla człowieka to nic. Dla systemów wykorzystujących niezwykle precyzyjny pomiar czasu już niekoniecznie. Co więcej, takie dane są dla naukowców czymś w rodzaju okna do wnętrza Ziemi. Nie możemy przecież wysłać sondy na głębokość tysięcy kilometrów i sprawdzić, co dzieje się na granicy jądra i płaszcza. Możemy jednak obserwować skutki tych procesów na powierzchni.

Badacze wykorzystali między innymi informacje o zmianach obrotu jądra wewnętrznego uzyskane z obserwacji fal sejsmicznych. Trzęsienia ziemi dostarczają tutaj niezwykle cennego narzędzia. Fale przechodzące przez wnętrze planety pozwalają wykrywać bardzo subtelne różnice w zachowaniu głębokich warstw.

Wcześniejsze badania wskazywały, że jądro wewnętrzne obracało się nieco szybciej względem reszty planety aż do około 2010 r., po czym zaczęło obracać się wolniej. Nowy model wykorzystuje te informacje, aby odtworzyć momenty siły działające między jądrem a płaszczem.

Nowe badanie przynosi jeszcze jedną ciekawą informację. Model sugeruje, że jądro wewnętrzne może zachowywać się w sposób bardziej dynamiczny, niż wynikałoby to z prostego wyobrażenia o wielkiej, sztywnej metalowej kuli.

Autorzy szacują, że jego nierówności mogą dostosowywać się do działających sił w czasie około 10 lat. Nazywają to deformacją lepką, czyli powolnym odkształcaniem materiału pod wpływem przyłożonych sił.

Jądro wewnętrzne jest stałe, ale nie oznacza to, że zachowuje się jak nieruchomy kawałek stali. W warunkach gigantycznego ciśnienia i temperatury panujących w centrum Ziemi nawet stały materiał może w bardzo długiej skali czasowej ulegać powolnym zmianom.

Model badaczy wskazuje również na konkretne właściwości najgłębszych warstw płaszcza i obszaru znajdującego się tuż nad jądrem. Oznacza to, że pomiar długości doby może dostarczać informacji nie tylko o obrocie planety, ale również o temperaturze, składzie i właściwościach materiału znajdującego się tysiące kilometrów pod naszymi stopami.

Główna ilustracja wygenerowana przez AI.