Сезонное перераспределение воды, льда и воздуха меняет положение центра масс Земли относительно её центра фигуры. Это не движение ядра как отдельного тела, а изменение точки отсчёта, важной для точных спутниковых измерений.
Центр масс Земли не остаётся совершенно неподвижным. По мере того как вода, лёд и воздух перемещаются по планете в зависимости от сезонов, они перераспределяют массу в достаточной степени, чтобы сдвигать центр масс туда и обратно на миллиметры относительно геометрического центра Земли.
Учёные отслеживают это тонкое движение, потому что центр масс Земли служит отправной точкой для навигации спутников и измерений высоты поверхности.
Исследователи из Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) разработали метод для измерения сезонных сдвигов с высокой точностью. В нём комбинируются разные виды спутниковых наблюдений и учитывается деформация земной коры под влиянием перераспределяемой массы.
Центр Земли постоянно в движении
У идеального однородного шара центр масс совпадает с геометрическим центром. Земля же реагирует на смещение массы воды, льда и атмосферы: по мере перемещения этих материалов центр масс описывает вокруг геометрического центра круги радиусом до нескольких миллиметров.
Две международные оценки величины сезонного смещения различаются примерно на 7 миллиметров, что сопоставимо с самой величиной смещения. Чтобы сократить эту неопределённость, геофизик JPL Дональд Аргус и коллеги разработали подход, опирающийся на крайне точное отслеживание спутников и объединение различных наборов данных.
Гравитация заставляет спутники двигаться вокруг центра масс Земли. По мере смещения центра масс учёные регистрируют крошечные изменения в расстояниях между орбитальными спутниками и наземными станциями слежения, что даёт сведения о перемещении центра масс.
Спутники помогают точно определить центр Земли
Для таких оценок долгое время использовали специальные лазерные геодезические спутники, расстояния до которых измеряют с помощью наземных лазерных станций. Один из недостатков этого метода — неравномерное распределение наземных станций по поверхности планеты.
Новый подход сочетает лазерные измерения с GPS-отслеживанием и информацией об орбитах нескольких спутников на низкой околоземной орбите, что даёт более широкий набор объектов для наблюдения. Также в расчёты включают то, как изменяющийся вес воды и льда деформирует земную кору, из‑за чего сами наземные станции слегка смещаются.
Авторы оценки указывают, что амплитуда годового движения центра масс Земли в исследовании оценивается примерно вдвое меньше, чем предполагалось ранее. По их интерпретации, масса воды и воздуха, перемещающаяся между полушариями, оказывает меньшее влияние, чем считалось ранее.
Хотя величины этих смещений невелики, их значение выходит за пределы лабораторий: современные картографические и навигационные системы зависят от очень точных систем отсчёта, и понимание причин смещений помогает их улучшать.
Снег, дождь и океаны смещают равновесие Земли
В исследовании выделяют три основных источника сезонного смещения центра масс: океаны, атмосфера и континентальная вода (включая лёд, снег, озёра, реки, влажность почвы и подземные воды).
Эффекты меняются в течение года по мере накопления и ухода воды и воздуха в разных регионах. Накопление снега в северных широтах в сезонных пиках сдвигает центр масс на несколько миллиметров в сторону полюса. В сезон максимума осадков бассейн Амазонки удерживает порядка 2400 гигатонн воды и вносит вклад в смещение в сторону Южной Америки примерно на 2,2 миллиметра. Муссонные осадки в Юго‑Восточной Азии дают более поздний, меньший по масштабу вклад.
Тихий океан оказывает заметное влияние: изменения массы воды в обширной акватории этого океана могут перевешивать изменения в других бассейнах. Сезонные изменения в меньших морях вносят более скромный вклад.
Атмосферные изменения также влияют на положение центра масс через перераспределение плотного зимнего и более лёгкого тёплого воздуха, что даёт региональные смещения в разные сезоны.
Спутники GRACE фиксируют изменения массы
Оценки сезонных перераспределений массы согласуются с наблюдениями гравиметрических спутников миссии GRACE‑FO. Эти аппараты измеряют изменения гравитационного поля Земли, вызванные перемещением воды над и под поверхностью планеты: когда пара спутников пролетает над областью с увеличенной массой, гравитационное притяжение изменяет расстояние между ними на регистрируемую величину.
Согласованность разных методов наблюдений повышает уверенность в понимании того, какие региональные изменения массы и в какой степени влияют на положение центра масс Земли.
Авторы работы представляют подробные оценки вкладов океанов, атмосферы и континентальной воды и показывают, что объединение разнотипных спутниковых данных и учёт деформации земной коры позволяют снизить неопределённость оценок сезонных смещений.
