Учёные выявили скрытую силу глубоко внутри Земли, которая на протяжении десятилетий изменяет продолжительность наших дней. Новое исследование предполагает, что гравитационное притяжение между твёрдым внутренним ядром планеты и её каменистой мантией может изменять скорость вращения Земли, делая дни длиннее или короче на несколько миллисекунд. Эти изменения слишком малы, чтобы люди могли их почувствовать, но они важны для GPS-навигации и глобального хронометража, которые зависят от точных измерений вращения Земли.
Исследователи из Университета Альберты проанализировали записи за период с 1964 по 2019 год, чтобы выяснить, что движет этими крошечными изменениями. Внутреннее ядро Земли — горячий, плотный шар, состоящий в основном из железа и никеля, — не является идеально сферическим. При вращении его гравитационное притяжение взаимодействует с неравномерными концентрациями массы в мантии. Это взаимодействие создаёт скручивающую силу, известную как «гравитационный крутящий момент», которая может слегка ускорять или замедлять мантию, изменяя время, за которое Земля совершает полный оборот. Исследователи связали это гравитационное притяжение с изменениями вращения Земли, которые разворачиваются примерно за 70-летний цикл.
Результаты также предполагают, что твёрдое внутреннее ядро Земли может медленно менять форму в течение нескольких лет. Его материал остаётся твёрдым, медленно уступая силам вокруг него. Эта гибкость оказалась важной, когда исследователи проверяли свои расчёты. Жёсткое внутреннее ядро давало изменения с неправильным timing, в то время как позволение ему деформироваться приблизило предсказания к наблюдаемым сдвигам в продолжительности дня. Их наилучшие оценки предполагают, что эта корректировка происходит примерно за восемь-десять лет, хотя более широкий диапазон возможных временных масштабов простирался от примерно двух до 31 года.
Исследование, опубликованное в Nature 23 сентября, было проведено физиками Университета Альберты Хуэйфэн Чжан и Матьё Дамберри. Они объединили более ранние исследования, использовавшие сейсмические волны для отслеживания вращения внутреннего ядра, с моделями движения в жидком внешнем ядре, реконструированными по изменениям магнитного поля Земли. Чтобы изолировать эффекты недр планеты, команда удалила вклады атмосферных ветров, океанических течений и более долгосрочных процессов, включая постепенное тормозящее действие Луны на вращение Земли. Затем они сравнили предсказания трёх конкурирующих механизмов с оставшимися изменениями продолжительности дня.
Магнитные силы и давление на неровные поверхности на границе между ядром и мантией давали паттерны, в целом противоположные зарегистрированным. Гравитационный механизм обеспечил гораздо более близкое совпадение. Лучшие результаты были получены, когда гравитация действовала как основной движущий фактор, а другие силы оказывали противодействие, оставляя небольшой дисбаланс, который изменял вращение планеты. Расчёты также дали подсказки о материале, скрытом near дна мантии. Они согласуются с электропроводящим, богатым железом слоем толщиной около 1,2 мили, хотя исследователи не обнаружили и не отобрали образцы такого слоя напрямую. Их findings также поддерживают наличие крупных скоплений химически отличного, более тёплого материала. Состав материала делал бы его более плотным, но его более высокая температура противодействует этому эффекту, оставляя его близким к плотности окружающей среды.
Результаты также благоприятствуют форме мантийного минерала, который деформируется относительно легко, помогая объяснить, как условия глубоко внутри Земли влияют на гравитационное взаимодействие. Однако исследователи предупредили, что примерно 70-летний паттерн пока не следует рассматривать как надёжно повторяющийся цикл. «Является ли эта структура потока периодической и повторяется ли она со временем, или она отражает только динамику за последние семь десятилетий, неизвестно», — написали авторы. Их выводы также зависят от точности существующих моделей вращения внутреннего ядра и потоков жидкого ядра. Некоторые численные оценки менялись до 30 процентов при использовании разных моделей потоков.
Исследование не полностью объясняет более короткие колебания продолжительности дня, разворачивающиеся за 10–30 лет. Эти изменения могут быть в большей степени driven силами, действующими на границе между ядром и мантией. Авторы заявили, что для разрешения этих оставшихся неопределённостей необходимы лучшие модели. Их findings тем не менее показывают, как крошечные вариации, измеренные на поверхности Земли, могут раскрыть информацию о движении, составе и физическом поведении областей глубоко под нашими ногами.
Открытие гравитационного взаимодействия между ядром и мантией — это не просто научный курьёз. Это окно в сложную динамику недр нашей планеты, которая влияет на всё — от продолжительности дня до магнитного поля, защищающего нас от солнечной радиации.
«Мы привыкли думать о Земле как о твёрдом шаре, — говорит геофизик из Калифорнийского технологического института, не участвовавший в исследовании. — Но на самом деле это динамическая система, где разные слои взаимодействуют друг с другом. Ядро вращается внутри жидкого внешнего ядра, мантия движется, и всё это влияет на вращение планеты. Мы только начинаем понимать эти связи».
Для GPS-навигации эти крошечные изменения имеют реальные последствия. Спутники GPS полагаются на точные измерения времени, которые, в свою очередь, зависят от знания точной скорости вращения Земли. Если вращение меняется на миллисекунды, это может привести к ошибкам в позиционировании на несколько метров. «Для большинства людей это не имеет значения, — говорит инженер из Европейского космического агентства. — Но для авиации, судоходства и военных операций точность имеет решающее значение. Мы должны постоянно обновлять наши модели вращения Земли».
Для хронометриста также важно. Секунда определяется через колебания атома цезия, но астрономическое время — время, основанное на вращении Земли, — отличается от атомного времени. Чтобы синхронизировать их, время от времени добавляются «високосные секунды». «Если мы поймём, что движет изменениями вращения Земли, мы сможем лучше предсказывать, когда понадобятся високосные секунды, — говорит специалист по времени из Международного бюро мер и весов. — Это может показаться мелочью, но в мире, который зависит от точного времени, это важно».
Исследование также поднимает вопросы о других планетах. «Мы видим, что внутреннее ядро Земли может деформироваться, — говорит планетолог из NASA. — Возможно, то же самое происходит на Марсе, Венере или других планетах. Это открывает новые вопросы о том, как формируются и эволюционируют планеты».
Пока же исследователи продолжают работать над уточнением своих моделей. Они надеются, что будущие миссии, включая сейсмические станции на других планетах, помогут проверить их выводы. «Мы находимся в начале пути, — говорит Дамберри. — Но я верю, что через десять лет у нас будет гораздо более полная картина того, что происходит глубоко внутри Земли. И это понимание может изменить то, как мы измеряем время и навигируем по миру».
Источники: Nature, University of Alberta, Daily Mail, заявления Хуэйфэн Чжан, Матьё Дамберри и других исследователей.
Ваш комментарий