Земля «сбивается» с 24-часового ритма – что обнаружили ученые

Принято считать, что одни сутки на Земле продолжаются ровно 24 часа, или 86 400 секунд. Однако реальное вращение планеты не настолько стабильно. За последние десятилетия продолжительность суток менялась на несколько миллисекунд — периоды ускорения сменялись замедлением.

Об этом пишет Earth.

Новое исследование указывает, что одной из главных причин таких долгосрочных колебаний может быть внутреннее ядро Земли. Оно расположено на глубине более 4800 километров и, согласно модели ученых, совершает своеобразные движения вперед и назад. Его гравитационное воздействие на мантию способно влиять на скорость вращения всей планеты.

Работу провели Хуйфэн Чжан, аспирант физического факультета Университета Альберты, и профессор физики Матьё Дамбри.

Почему меняется продолжительность суток

На скорость вращения Земли одновременно воздействует несколько процессов. Приливы вызывают небольшие ежедневные изменения, атмосферные ветры влияют на продолжительность суток в зависимости от сезона, а трение, связанное с приливами и Луной, на протяжении миллионов лет постепенно замедляет вращение планеты.

Но существуют и более длительные колебания. На протяжении периодов от 10 до 70 лет продолжительность суток может изменяться на несколько миллисекунд.

Ученые уже более трех десятилетий связывают подобные изменения с процессами внутри Земли. Речь идет об обмене вращательным моментом между жидким внешним ядром и мантией — огромным слоем горячих горных пород толщиной около 2900 километров.

Когда ядро ускоряет вращение, мантия, наоборот, немного замедляется. Однако долгое время оставалось неизвестным, какая именно сила обеспечивает такое взаимодействие.

Ученые проверили три возможные причины

Исследователи рассмотрели три основных механизма. Первый связан с магнитными силами на границе между ядром и мантией. Второй — с движением жидкого железа во внешнем ядре и его взаимодействием с неровностями на границе.

Третьим вариантом оказалась гравитация внутреннего ядра.

Твердое внутреннее ядро не представляет собой идеально гладкий шар. На его поверхности существуют небольшие неровности, которые могут взаимодействовать с неоднородно распределенными массами в мантии.

Чжан и Дамбри сопоставили эти три механизма с наблюдаемыми изменениями продолжительности суток в период с 1964 по 2019 год.

Внутреннее ядро движется подобно маятнику

Для анализа внутреннего ядра ученые использовали реконструкцию, основанную на данных о сейсмических волнах. Ее в 2023 году представили исследователи Пекинского университета И Ян и Сяодун Сон.

Согласно этой модели, внутреннее ядро может поворачиваться примерно на 2,35 градуса в одну сторону, а затем двигаться обратно относительно мантии. Исследователи ранее отмечали, что около 2009 года его вращение практически остановилось, после чего направление изменилось.

Ученые сравнивали такое движение с качелями: внутреннее ядро перемещается относительно поверхности Земли туда и обратно, а полный цикл может занимать около семи десятилетий.

Когда внутреннее ядро отклоняется от определенного положения, его неровности начинают воздействовать на расположенные выше массы мантии. Возникающий эффект ученые называют гравитационным крутящим моментом.

Гравитация лучше всего совпала с наблюдениями

Сопоставление моделей с фактическими изменениями продолжительности суток показало, что магнитные и топографические силы не настолько хорошо соответствуют наблюдаемым колебаниям.

А вот гравитационный крутящий момент совпал с данными как по величине изменений, так и по их временной динамике.

Авторы исследования пришли к выводу, что именно гравитационное воздействие внутреннего ядра может быть основным механизмом многодесятилетних изменений продолжительности суток в рассмотренный период с 1964 по 2019 год.

При этом модель предполагает, что внутреннее ядро способно медленно менять форму. Небольшие выступы на его поверхности, согласно расчетам, могут сглаживаться примерно за 10 лет. Это означает, что внутреннее ядро может вести себя не как полностью неподвижный твердый шар, а как материал, способный постепенно деформироваться.

Небольшие неровности могут влиять на всю планету

Размер обнаруженных особенностей внутреннего ядра относительно невелик в планетарном масштабе. Высота отдельных неровностей оценивается примерно в 11–29 метров.

При этом, по расчетам исследователей, изменения положения таких участков всего примерно на один градус уже достаточно, чтобы создать необходимый для модели крутящий момент.

Полученные результаты также дают ученым дополнительную информацию о нижней части мантии. Они согласуются с предположением о существовании там крупных скоплений теплых пород, химически отличающихся от окружающего материала.

Кроме того, если значительная часть сопротивления действительно связана с магнитными силами, непосредственно над ядром может находиться тонкий слой богатого железом электропроводящего материала толщиной около двух километров.

Исследователи также оценили среднее смещение внутреннего ядра относительно мантии в восточном направлении примерно в 0,12 градуса в год. За 9000 лет это соответствовало бы почти трем полным оборотам.

Ученые пока не получили окончательного ответа

Несмотря на полученные результаты, строение и движение внутреннего ядра остаются предметом научных дискуссий. Современные оценки зависят от используемых моделей движения вещества во внешнем ядре, поэтому некоторые параметры могут отличаться примерно на 30%.

Сейсмолог Университета Южной Калифорнии Джон Видейл ранее отмечал, что исследование основано на большом количестве данных и выполнено тщательно, однако, по его мнению, ни одна из существующих моделей пока не объясняет все наблюдения полностью.

Геофизик Австралийского национального университета Хрвое Ткалчич также предупреждал, что вокруг интерпретации данных могут возникнуть разногласия. По его оценке, представление ученых о процессах в глубинах Земли пока остается неполным.

Кроме того, новое исследование рассматривает преимущественно изменения, происходящие на протяжении 60–70 лет. Более быстрые колебания продолжительностью около 10–30 лет, вероятно, связаны с другими процессами на границе ядра и мантии.

Пока также неизвестно, повторяется ли предполагаемый 70-летний цикл внутреннего ядра на протяжении более длительных периодов.

Почему важны миллисекунды

Несколько миллисекунд практически незаметны в повседневной жизни и не заставят человека опоздать на работу. Однако для измерения вращения планеты такая разница имеет значение.

Земное вращение оказывается значительно менее стабильным, чем атомные часы, на которых основано современное официальное измерение времени.

По словам Видейла, ученым еще предстоит разобраться в происходящих глубоко внутри планеты процессах. «Что-то происходит, и я думаю, мы это выясним», — говорил он.

Авторы новой работы считают, что их результаты помогают точнее определить механизм, который может стоять за долгосрочными изменениями скорости вращения Земли, и постепенно сформировать более четкую картину процессов, происходящих в самых глубоких слоях нашей планеты.

Ранее "Курсор" писал, что астронавтам удалось совершить "медицинское" открытие в космосе.

На МКС астронавты провели уникальный эксперимент, который даст большой толчок медицине.