Исследователи NASA уточнили сезонные колебания центра масс Земли

Исследователи из Лаборатории реактивного движения NASA в Южной Калифорнии совместно с коллегами из Университета Невады, Университета Монтаны и Центра геофизических исследований имени Гельмгольца в Германии разработали методику, позволяющую с большой точностью рассчитывать сезонные смещения центра масс нашей планеты. Согласно результатам, годовые перемещения этого центра туда и обратно примерно вдвое меньше, чем считалось восемь лет назад, а масса воды и воздуха, мигрирующих между полушариями, также оказалась скромнее прежних оценок. Исследование опубликовано в журнале Geophysical Journal International.

Земля вовсе не является идеально твердым шаром, и ее центр масс — точка, вокруг которой вращается планета, постоянно смещается на несколько миллиметров. Это происходит потому, что вода, лед и воздух перераспределяются по поверхности и внутри планеты в зависимости от сезона. Для спутниковой навигации, картографии и измерения высот эта точка служит важнейшим ориентиром, поэтому даже крошечные ошибки в ее определении могут накапливаться и влиять на точность современных технологий. Именно поэтому ученые десятилетиями стремятся вычислить положение центра масс как можно точнее, ведь он постоянно «убегает» от геометрического центра Земли.

Долгое время для этого использовались специальные спутники с отражающими призмами, которые отслеживались лазерами с наземных станций по всему миру. Однако у такого подхода есть слабое место: станции расположены неравномерно, и это ограничивает точность. Новая методика, возглавленная геофизиком из JPL Дональдом Аргусом, решает проблему двумя способами. Во-первых, к лазерным измерениям добавляется GPS-слежение и данные с нескольких спутников на низкой околоземной орбите, что дает больше целей для наблюдения. Во-вторых, учитывается, как вес воды и льда прогибает земную кору, а это влияет на положение самих наземных станций. В результате удается отслеживать смещения центра масс с точностью, которая заметно превосходит прежние оценки.

Предыдущие международные расчеты, сделанные в 2017 и 2023 годах, различались на 7 миллиметров. Это почти столько же, сколько составляет само сезонное движение. Новая работа позволила уменьшить эту неопределенность. Исследователи разложили сезонные колебания на три составляющие: океаны, атмосферу и континентальные воды, включающие лед, снег, воду рек и озер, почвенную влагу и грунтовые воды.

Оказалось, что накопление снега в Северной Америке и Евразии достигает пика в марте и смещает центр масс примерно на 3 миллиметра в сторону Северного полюса. Месяц спустя, в апреле, максимум осадков в бассейне Амазонки — около 2400 гигатонн, сдвигает эту точку на 2,2 миллиметра в сторону Южной Америки. Муссонные воды в Юго-Восточной Азии достигают пика в 600 гигатонн в ноябре, немного увеличивая годовую амплитуду. С августа по октябрь океаны наполняются талой водой и дождями, и центр масс смещается в сторону южной части Тихого океана. Тихий океан настолько велик, что изменения его массы перекрывают вклад других океанов, хотя Средиземное, Красное, Северное, Балтийское и Баренцево моря тоже вносят небольшую лепту.

Атмосфера также играет роль. Холодный и плотный зимний воздух меняет баланс сил над Аравией, Азией и Северной Африкой примерно 21 декабря, а над Южной Америкой и Южной Африкой — около 21 июня. Расчеты массы, представленные в работе, хорошо согласуются с наблюдениями миссии GRACE-FO — совместного проекта NASA и Немецкого исследовательского центра геофизических наук. Эта миссия, запущенная в 2018 году, использует два спутника-близнеца, которые летают в точном строю и фиксируют ежемесячные колебания гравитационного притяжения Земли, обусловленные главным образом движением воды.

Когда ведущий спутник пролетает над плотным телом, например над разлившейся речной котловиной, дополнительное гравитационное воздействие меняет расстояние между аппаратами на небольшую, но измеримую величину. Планируется, что миссия следующего поколения GRACE-C будет запущена в конце 2028 года и продлит почти 25-летнюю базу данных наблюдений.

По словам Феликса Ландерера, одного из соавторов исследования из JPL, хотя эти движения могут показаться незначительными, современный мир полагается на чрезвычайно точные измерения местоположения. Понимание механизмов, изменяющих системы отсчета, позволяет создавать более совершенные системы, которые в конечном итоге принесут пользу картографии и навигации.

В результате новая методика, основанная на сверхточном слежении с добавлением GPS-данных и учета деформации земной коры, позволила вдвое снизить оценку годового смещения центра масс Земли по сравнению с расчетами восьмилетней давности. Ученые выяснили, что масса воды и воздуха, перемещающихся между полушариями, меньше, чем считалось ранее, а сезонные колебания центра масс обусловлены преимущественно накоплением снега в Северном полушарии, осадками в бассейне Амазонки, муссонными водами Юго-Восточной Азии и динамикой Тихого океана.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях