Geofizycy wskazują, że środek masy Ziemi się przesuwa
Środek masy Ziemi nie pozostaje w jednym miejscu. Sezonowe przemieszczanie się ogromnych ilości wody, lodu i powietrza powoduje jego przesunięcia o kilka milimetrów względem geometrycznego środka planety. Naukowcy opracowali nową metodę, która pozwala dokładniej śledzić te niewielkie zmiany.
Środek masy Ziemi zmienia położenie wraz z porami roku
Jak wskazują geofizycy, zmiany pór roku powodują przemieszczanie się po Ziemi tak dużych ilości wody, że środek masy planety przesuwa się o ułamki centymetra względem jej geometrycznego środka. Naukowcy śledzą te oscylacje, ponieważ punkt ten jest kluczowy dla nawigacji satelitarnej i pomiarów wysokości.
W ramach nowego badania naukowcy z Jet Propulsion Laboratory NASA opracowali nową metodę pozwalającą z niezwykłą precyzją obliczać sezonowe wahania. Stworzyli oni obraz wiosennych roztopów, wzburzonych oceanów i zmian ciśnienia powietrza, które wraz ze zmianą pór roku przemieszczają ogromne masy znajdujące się na powierzchni Ziemi. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Geophysical Journal International”.
Analiza nie była pierwszą próbą dokładnego określenia położenia środka masy Ziemi. Na przestrzeni dziesięcioleci naukowcy opracowali kilka kosmicznych metod pozwalających go definiować i lokalizować. Jest to jednak ruchomy cel. Gdyby nasza planeta była jedynie zbitą kulą, jej środek masy po prostu pokrywałby się ze środkiem geometrycznym. W rzeczywistości glob zmienia kształt pod wpływem ciężaru wody, lodu i powietrza. Z tego powodu środek masy Ziemi nieustannie przemieszcza się wokół jej geometrycznego środka nawet o kilka milimetrów.
Dwa ostatnie oszacowania, wykonane w 2017 i 2023 roku, różniły się o 7 milimetrów. Aby zmniejszyć niepewność, geofizycy opracowali nową technikę opartą na niezwykle precyzyjnym monitorowaniu ruchu satelitów.
Nowa metoda zwiększa precyzję pomiarów
Satelity dzięki grawitacji naturalnie orbitują wokół środka masy Ziemi. Niewielkie zmiany odległości między nimi a stacjami naziemnymi mogą pomóc wskazać przemieszczanie się środka masy Ziemi.
Ten sposób wyznaczania środka masy Ziemi nie był nowym pomysłem. W 1976 i 1992 roku wystrzelono dwa metalowe satelity przeznaczone wyłącznie do tego celu. Przypominające kule dyskotekowe i ważące po 408 kilogramów LAGEOS 1 i 2 wyposażono w liczne pryzmaty odbijające światło, a ich położenie jest niezwykle precyzyjnie określane za pomocą pomiarów laserowych prowadzonych przez stacje naziemne rozmieszczone w ponad 20 krajach na całym świecie.
Jednym z ograniczeń satelitarnego pomiaru laserowego jest nierównomierne rozmieszczenie stacji naziemnych na Ziemi. Nowa technika zwiększyła dokładność na dwa sposoby. Po pierwsze, do pomiarów dodano śledzenie GPS oraz dane orbitalne z kilku satelitów znajdujących się na niskiej orbicie okołoziemskiej, zapewniając zróżnicowany zestaw celów. Po drugie, metoda uwzględnia również odkształcenia skorupy ziemskiej wywołane ciężarem wody i lodu, które mogą wpływać na wyniki pomiarów ze stacji naziemnych.
Naukowcy ustalili, że roczny ruch środka masy Ziemi jest około dwa razy mniejszy, niż oceniano osiem lat wcześniej. Ich wyniki wskazują również, że masa wody i powietrza przemieszczających się między półkulami jest mniejsza, niż wcześniej sądzono.
Woda, lód i atmosfera wpływają na wyniki
Badacze zwracają uwagę, że choć obserwowane ruchy są niewielkie, niezwykle dokładne pomiary położenia mają dziś kluczowe znaczenie. Lepsze zrozumienie mechanizmów wpływających na układy odniesienia może pomóc w ich udoskonalaniu, co ma znaczenie między innymi dla mapowania i nawigacji, od globalnej logistyki morskiej po rolnictwo precyzyjne.
Geofizycy prześledzili sezonowe zmiany położenia środka masy Ziemi i wyróżnili trzy główne czynniki odpowiadające za jego ruch: oceany, atmosferę oraz wodę zgromadzoną na lądach, w tym lód, śnieg, wodę w jeziorach i rzekach, wilgoć glebową oraz wody gruntowe.
Śnieg i opady powodują sezonowe przesunięcia
Naukowcy stwierdzili, że nagromadzenie śniegu w Ameryce Północnej i Eurazji osiąga maksimum w marcu i przesuwa środek masy Ziemi o około 3 milimetry w kierunku bieguna północnego. Miesiąc później, w kwietniu, ilość wody pochodzącej z opadów w dorzeczu Amazonki osiąga maksimum na poziomie 2400 gigaton, przesuwając środek masy Ziemi o 2,2 milimetra w kierunku Ameryki Południowej. Woda związana z monsunem w Azji Południowo-Wschodniej osiąga maksimum sześć miesięcy później, w listopadzie, nieznacznie zwiększając roczną oscylację.
Od sierpnia do października oceany gromadzą wodę pochodzącą z topniejącego lodu i opadów, a środek masy Ziemi przesuwa się w kierunku południowego Oceanu Spokojnego. Ogrom Pacyfiku sprawia, że zachodzące w nim zmiany mają większe znaczenie niż te w pozostałych oceanach. Na ruch środka masy Ziemi wpływają również sezonowe zmiany na Morzu Śródziemnym, Czerwonym, Północnym, Bałtyku i Morzu Barentsa, choć ich znaczenie jest znacznie mniejsze.
Nowe pomiary pomagają lepiej zrozumieć sezonowe zmiany
Jak podkreślają geofizycy, wyniki obliczeń masy uzyskane w badaniu są zgodne z obserwacjami misji Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO). Dwa satelity misji, wystrzelone w 2018 roku, śledzą miesięczne zmiany ziemskiego pola grawitacyjnego, związane przede wszystkim z przemieszczaniem się wody nad powierzchnią i pod nią. Poruszają się w precyzyjnie utrzymywanej formacji, a gdy jeden z nich przelatuje nad obszarem o większej masie, na przykład wezbranym dorzeczem rzeki, dodatkowe przyciąganie grawitacyjne powoduje niewielką, ale mierzalną zmianę odległości między nimi.
Emil Gołoś
