Pory roku powodują wędrówkę środka masy planety
Zmiany zachodzące wraz z kolejnymi porami roku prowadzą do przemieszczania się na Ziemi ogromnych ilości wody, co powoduje przesunięcia środka masy planety o ułamki centymetra względem jej geometrycznego centrum. Geofizycy monitorują te wahania, ponieważ położenie tego punktu ma znaczenie dla nawigacji satelitarnej oraz pomiarów wysokości.
Naukowcy z Jet Propulsion Laboratory NASA opracowali w ramach nowego badania technikę, która umożliwia bardzo dokładne wyznaczanie sezonowych zmian. Na jej podstawie odtworzyli obraz wiosennych roztopów, wzburzonych oceanów oraz zmian ciśnienia atmosferycznego, które w ciągu roku powodują przemieszczanie się olbrzymich mas znajdujących się na powierzchni Ziemi. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Geophysical Journal International”.
Nie jest to pierwsza próba precyzyjnego ustalenia położenia środka masy Ziemi. Przez dziesięciolecia naukowcy tworzyli kolejne kosmiczne techniki służące do jego definiowania i lokalizowania. Punkt ten nie pozostaje jednak w bezruchu. Gdyby Ziemia była jednolitą, zwartą kulą, jej środek masy znajdowałby się dokładnie w geometrycznym centrum. W rzeczywistości ciężar wody, lodu i atmosfery powoduje zmiany kształtu globu. W rezultacie środek masy planety stale przemieszcza się względem jej geometrycznego środka, a skala tego ruchu może wynosić kilka milimetrów.
Dwa wcześniejsze oszacowania, przeprowadzone w 2017 oraz 2023 roku, wskazywały położenia różniące się o 7 milimetrów. Geofizycy chcieli ograniczyć tę niepewność, dlatego opracowali technikę wykorzystującą bardzo dokładne obserwacje ruchu satelitów.
Obserwacje satelitów pozwalają dokładniej wyznaczyć środek masy
Grawitacja sprawia, że satelity poruszają się po orbitach wokół środka masy Ziemi. Rejestrowanie niewielkich zmian odległości między satelitami a stacjami naziemnymi umożliwia określanie zmian położenia tego punktu.
Wykorzystanie satelitów do ustalania środka masy Ziemi nie jest nową koncepcją. W 1976 i 1992 roku umieszczono na orbicie dwa metalowe satelity stworzone właśnie do tego zadania. LAGEOS 1 i LAGEOS 2 przypominają kule dyskotekowe, ważą po 408 kilogramów i mają liczne pryzmaty służące do odbijania światła. Ich położenie jest niezwykle dokładnie ustalane dzięki pomiarom laserowym wykonywanym przez stacje naziemne działające w ponad 20 państwach.
Problemem satelitarnych pomiarów laserowych pozostaje nierównomierne rozmieszczenie stacji obserwacyjnych na powierzchni Ziemi. Nowa technika pozwoliła poprawić dokładność na dwa sposoby. W pierwszym przypadku do pomiarów włączono śledzenie GPS oraz dane orbitalne pochodzące z kilku satelitów znajdujących się na niskiej orbicie okołoziemskiej, dzięki czemu wykorzystano bardziej zróżnicowany zestaw obiektów. Drugim elementem było uwzględnienie deformacji skorupy ziemskiej powodowanych przez ciężar wody oraz lodu, które mogą oddziaływać na wyniki uzyskiwane przez stacje naziemne.
Obliczenia wykazały, że roczne przemieszczanie się środka masy Ziemi jest mniej więcej dwukrotnie mniejsze od wartości określonej osiem lat wcześniej. Wyniki sugerują także, że ilość wody i powietrza przemieszczających się pomiędzy półkulami jest mniejsza, niż wcześniej zakładano.
Oceany, atmosfera i woda na lądach zmieniają położenie środka masy
Choć skala obserwowanych przemieszczeń jest niewielka, bardzo precyzyjne określanie położenia ma obecnie istotne znaczenie. Dokładniejsze poznanie procesów wpływających na układy odniesienia może przyczynić się do ich ulepszania, co jest ważne między innymi dla mapowania i nawigacji, od światowej logistyki morskiej po rolnictwo precyzyjne.
Geofizycy przeanalizowali sezonowe przemieszczenia środka masy Ziemi i wskazali trzy podstawowe grupy czynników odpowiedzialnych za ten ruch. Są nimi oceany, atmosfera oraz woda znajdująca się na lądach, obejmująca między innymi lód, śnieg, wodę w jeziorach i rzekach, wilgoć znajdującą się w glebie oraz wody gruntowe.
Pokrywa śnieżna i opady przesuwają środek masy Ziemi
Według ustaleń badaczy ilość śniegu zgromadzonego w Ameryce Północnej oraz Eurazji jest największa w marcu, a jego masa przesuwa środek masy Ziemi o około 3 milimetry w stronę bieguna północnego. W kwietniu maksimum osiąga natomiast ilość wody pochodzącej z opadów w dorzeczu Amazonki, wynosząca 2400 gigaton, co powoduje przesunięcie środka masy o 2,2 milimetra w stronę Ameryki Południowej. Sześć miesięcy później, w listopadzie, maksimum osiąga ilość wody związanej z monsunem w Azji Południowo-Wschodniej, nieznacznie zwiększając roczną amplitudę oscylacji.
Między sierpniem a październikiem oceany zatrzymują wodę pochodzącą z topnienia lodu oraz opadów, w wyniku czego środek masy Ziemi przesuwa się w kierunku południowego Pacyfiku. Z uwagi na ogromną powierzchnię Pacyfiku procesy zachodzące na tym akwenie mają większy wpływ niż zmiany występujące w pozostałych oceanach. Na położenie środka masy oddziałują także sezonowe zmiany zachodzące na Morzu Śródziemnym, Morzu Czerwonym, Morzu Północnym, Bałtyku oraz Morzu Barentsa, jednak ich wpływ jest zdecydowanie mniejszy.
Dane satelitarne potwierdzają sezonowe zmiany masy
Geofizycy zaznaczają, że wartości masy obliczone w ramach badania są zgodne z wynikami obserwacji prowadzonych przez misję Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On, czyli GRACE-FO. Dwa satelity należące do tej misji zostały wystrzelone w 2018 roku i monitorują miesięczne zmiany ziemskiego pola grawitacyjnego, które są związane przede wszystkim z przemieszczaniem się wody znajdującej się na powierzchni oraz pod nią.
Oba satelity utrzymują precyzyjnie określoną formację podczas ruchu po orbicie. Kiedy jeden z nich przelatuje nad obszarem zawierającym większą ilość masy, takim jak wezbrane dorzecze rzeki, dodatkowe oddziaływanie grawitacyjne powoduje niewielką, ale możliwą do zmierzenia zmianę odległości między satelitami.
Mariusz Drzewiecki
