Центр Земли движется, и НАСА только что измерило это.

Центр масс Земли не остаётся совершенно неподвижным. По мере того как вода, лёд и воздух перемещаются по планете в зависимости от сезонов, они перераспределяют достаточно массы, чтобы сдвигать центр масс туда и обратно на доли дюйма относительно геометрического центра Земли.

Учёные НАСА тщательно отслеживают это тонкое движение, поскольку центр масс Земли служит важной опорной точкой для навигации спутников и измерений высоты поверхности.

Исследователи под руководством Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии (JPL) разработали метод, предназначенный для измерения этих сезонных сдвигов с исключительной точностью. Их методика и результаты описаны в новом исследовании, опубликованном в Geophysical Journal International.

Исследование показывает, как крупные сезонные изменения, включая таяние снега, перемещение океанской воды и плотный зимний воздух, перераспределяют огромные объёмы массы по поверхности Земли.

Центр Земли постоянно движется

Учёные десятилетиями разрабатывают методы для определения и локализации центра масс Земли с помощью наблюдений из космоса. Сложность в том, что центр не остаётся в одной фиксированной точке.

Если бы Земля вела себя как полностью твёрдый шар, её центр масс совпадал бы с геометрическим центром. Вместо этого планета реагирует на смещение массы воды, льда и атмосферы. По мере перемещения этих материалов центр масс Земли описывает круги вокруг геометрического центра на величину до нескольких миллиметров.

Точное определение размера этого движения оказалось трудно выполнимой задачей. Две последние международные оценки, опубликованные в 2017 и 2023 годах, различаются на 0,27 дюйма (7 миллиметров), что примерно соответствует высоте трёх сложенных вместе монет «никель». Это расхождение почти такое же большое, как и само движение, которое учёные пытаются измерить.

Чтобы сократить эту неопределённость, геоучёный JPL Дональд Аргус возглавил разработку нового подхода, основанного на чрезвычайно точном спутниковом слежении.

Гравитация заставляет спутники вращаться вокруг центра масс Земли

Гравитация заставляет спутники вращаться вокруг центра масс Земли. По мере смещения этого центра учёные могут обнаруживать крошечные изменения в расстояниях между орбитальными спутниками и наземными станциями слежения.

Учёные давно используют спутники для определения положения центра масс Земли. Два плотных металлических спутника, запущенные в 1976 и 1992 годах, были созданы специально для этой цели.

Лазерные геодезические спутники (LAGEOS 1 и 2) похожи на 900-фунтовые (408-килограммовые) «диско-шары», покрытые отражающими призмами. Наземные станции, разбросанные более чем по 20 странам, направляют лазеры на спутники и точно измеряют возвращающиеся сигналы.

Одной из проблем этого метода является то, что лазерные станции слежения неравномерно распределены по земному шару.

Новый подход решает это ограничение двумя способами. Исследователи объединяют лазерные измерения с GPS-трекингом и орбитальной информацией от нескольких спутников на низкой околоземной орбите, что даёт им более широкий набор объектов для наблюдения. Они также учитывают то, как меняющийся вес воды и льда деформирует земную кору, из-за чего сами наземные станции немного смещаются по мере того, как поверхность под ними меняется.

Аргус разработал метод совместно с учёными из команды определения орбит спутников JPL, Университета Невады, Университета Монтаны и Немецкого центра геонаук Хельмгольца.

«Мы теперь оцениваем величину годичного движения центра масс Земли туда и обратно примерно вдвое меньше, чем считали восемь лет назад», — сказал Аргус. «Наши результаты предполагают, что масса воды и воздуха Земли, перемещающаяся между полушариями, меньше, чем считалось ранее».

Хотя задействованные расстояния крошечны, их значение выходит далеко за пределы лаборатории.

Снег, дождь и океаны смещают равновесие Земли

Исследователи отслеживали сезонное движение центра масс Земли и отнесли его к трем основным источникам: океанам, атмосфере и континентальной воде (включающей земной лёд, снег, воды озёр и рек, влажность почвы и подземные воды).

Эффекты меняются в течение года по мере накопления воды и воздуха в разных частях мира.

Снег на территории Северной Америки и Евразии достигает наибольшего накопления в марте. Эта дополнительная масса сдвигает центр масс Земли примерно на 3 миллиметра в направлении Северного полюса.

В апреле бассейн реки Амазонки достигает сезонного максимума по осадкам, удерживая около 2400 гигатон воды. Эта огромная концентрация воды притягивает центр масс Земли на 2,2 миллиметра в сторону Южной Америки.

Ещё один вклад появляется позже в году. Муссонные воды в Юго-Восточной Азии достигают пика в 600 гигатон в ноябре, через шесть месяцев после максимума Амазонки, и вносят меньший вклад в годичное движение.

Тихий океан оказывает непропорционально большое влияние

Океаническая вода также играет важную роль в сезонном сдвиге.

С августа по октябрь талые воды и осадки добавляют массу океанам, сдвигая центр масс Земли в сторону Южной части Тихого океана.

Поскольку Тихий океан настолько обширен, изменения его массы могут перевесить приросты или потери в других океанических бассейнах. Тем не менее сезонные изменения в Средиземном, Красном, Северном, Балтийском и Баренцевом морях вносят более мелкие, но заметные вклады в движение центра масс.

Атмосфера добавляет ещё один слой к этому циклу.

Исследователи использовали модель Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), чтобы оценить, как сезонные атмосферные изменения изменяют центр масс Земли. Их анализ показал, что холодный и плотный зимний воздух смещает равновесие в сторону Аравии, Азии и Северной Африки примерно 21 декабря каждого года. Примерно 21 июня соответствующий эффект проявляется над Южной Америкой и Южной Африкой.

Спутники GRACE подтверждают изменения массы

Оценки массы, полученные новым анализом, согласуются с наблюдениями миссии Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO).

Запущенная в 2018 году миссия GRACE-FO состоит из двух спутников, которые измеряют ежемесячные изменения гравитационного поля Земли. Большая часть изменения гравитации вызвана перемещением воды над и под поверхностью планеты.

Спутники летят вместе в чрезвычайно точной формации. Когда ведущий аппарат пролетает над регионом с лишней массой, например, над разлившимся водосборным бассейном, более сильное гравитационное притяжение изменяет расстояние между двумя спутниками на крошечную, но обнаруживаемую величину.

GRACE-FO является партнёрством между НАСА и Немецким центром геонаук (GFZ).

Учёные уже готовят следующее поколение таких измерений. Миссия GRACE-Continuity (GRACE-C) планируется к запуску в конце 2028 года и призвана продолжить почти 25-летнюю серию наблюдений GRACE по отслеживанию перемещений воды и массы вокруг Земли.