Центр Земли движется, и NASA 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 массу в достаточной степени, чтобы сдвигать центр масс туда и обратно на доли дюйма относительно геометрического центра Земли.
Учёные NASA тщательно отслеживают это тонкое движение, потому что центр масс Земли служит важной отправной точкой для навигации спутников и измерений высоты поверхности.
Исследователи под руководством Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) в Южной Калифорнии разработали метод, предназначенный для измерения этих сезонных сдвигов с исключительной точностью. Их техника и результаты описаны в новом исследовании, опубликованном в Geophysical Journal International.
Исследование показывает, как крупные сезонные изменения, включая таяние снега, перераспределение океанической воды и плотный зимний воздух, перемещают огромные массы по поверхности Земли.
Центр Земли постоянно в движении
Учёные десятилетиями разрабатывают методы для определения и локализации центра масс Земли, опираясь на наблюдения из космоса. Сложность заключается в том, что центр не остаётся в одном фиксированном месте.
Если бы Земля вела себя как полностью твёрдый синий шарик, её центр масс совпадал бы с геометрическим центром. Вместо этого планета реагирует на смещение веса воды, льда и атмосферы. По мере перемещения этих материалов центр масс Земли описывает вокруг её геометрического центра круги радиусом до нескольких миллиметров.
Определить точный размер этого движения оказалось сложно. Две последние международные оценки, опубликованные в 2017 и 2023 годах, отличаются на 0,27 дюйма (7 миллиметров), что примерно соответствует высоте трёх сложенных вместе никелей. Это расхождение почти такого же порядка, как и само движение, которое пытаются измерить учёные.
Чтобы сократить эту неопределённость, геофизик JPL Дональд Аргус возглавил разработку нового подхода, который опирается на крайне точное отслеживание спутников.
Гравитация заставляет спутники двигаться вокруг центра масс Земли. По мере того как этот центр смещается, учёные могут обнаруживать крошечные изменения в расстояниях между орбитальными спутниками и наземными станциями слежения.
Спутники помогают точно определить центр Земли
Долгое время учёные использовали спутники для определения положения центра масс Земли. Два плотных металлических спутника, запущенные в 1976 и 1992 годах, были специально созданы для этой цели.
Лазерные геодезические спутники (LAGEOS 1 и 2) напоминают диско-шары массой около 408 килограммов, покрытые отражающими призматическими элементами. Наземные станции более чем в 20 странах направляют на эти спутники лазеры и точно измеряют возвращающиеся сигналы.
Одна из проблем этого метода заключается в том, что лазерные станции слежения распределены по земному шару неравномерно.
Новый подход решает это ограничение двумя способами. Исследователи комбинируют лазерные измерения с GPS-отслеживанием и информацией об орбитах нескольких спутников на низкой околоземной орбите, что даёт 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 слегка смещаются по мере сдвига поверхности под ними.
Аргус разработал технику совместно с учёными из команды по определению орбит спутников JPL, Университета Невады, Университета Монтаны и Германского центра геонаук Герцогсхорна (Helmholtz Centre for Geosciences).
«Сейчас мы оцениваем амплитуду движения центра массы Земли вперёд и назад за год примерно вдвое меньшей, чем считали восемь лет назад», — сказал Аргус. «Наши выводы указывают на то, что масса воды и воздуха, перемещающаяся между полушариями, меньше, чем считалось ранее».
Хотя величины этих смещений ничтожны, их значение выходит далеко за пределы лабораторий.
Феликс Ландерер, один из соавторов исследования из JPL, отметил: «Хотя эти движения кажутся очень малыми, современный мир опирается на чрезвычайно точные измерения положения. Раскрывая и понимая механизмы, изменяющие системы отсчёта, мы можем создавать лучшие системы отсчёта, которые в конечном итоге принесут пользу картографии и навигации — от глобальной логистики судоходства до точного земледелия».
Снег, дождь и океаны смещают равновесие Земли
Исследователи проследили сезонные перемещения центра масс Земли и связали их с тремя основными источниками: океанами, атмосферой и континентальной водой (включающей земной лёд, снег, озёра и реки, влажность почвы и подземные воды).
Эффекты меняются в течение года по мере того, как вода и воздух накапливаются в разных частях мира.
Снег на территории Северной Америки и Евразии достигает максимального накопления в марте. Эта добавленная масса сдвигает центр масс Земли примерно на 3 миллиметра в сторону Северного полюса.
В апреле бассейн Амазонки достигает сезонного максимума по дождевой воде, удерживая около 2400 гигатонн. Это огромное скопление воды тянет центр масс Земли на 2,2 миллиметра в сторону Южной Америки.
Ещё один вклад поступает позже в году. Муссонные воды в Юго-Восточной Азии достигают пика в ноябре, в объёме около 600 гигатонн, через шесть месяцев после амазонского максимума, и вносят меньший вклад в годовое смещение.
Тихий океан оказывает непропорционально большое влияние.
Вода в океанах также играет важную роль в сезонном смещении.
С августа по октябрь талые воды и осадки увеличивают массу океанов, смещая центр масс Земли в сторону Южной части Тихого океана.
Поскольку Тихий океан так обширен, изменения его массы могут перевешивать приобретения или потери в других океанических бассейнах. Тем не менее сезонные изменения в Средиземном, Красном, Северном, Балтийском и Баренцевом морях вносят более мелкие вкладные компоненты в движение центра Земли.
Атмосфера добавляет ещё один слой к этому циклу.
Исследователи использовали модель Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), чтобы оценить, как сезонные атмосферные изменения влияют на положение центра масс Земли. Их анализ показал, что холодный и плотный зимний воздух сдвигает равновесие в сторону Аравии, Азии и северной Африки примерно вокруг 21 декабря каждого года. Примерно 21 июня соответствующий эффект наблюдается 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).
Запущенные в 2018 году GRACE-FO состоят из двух спутников, которые измеряют ежемесячные изменения гравитационного поля Земли. Большая часть этих изменений гравитации вызвана перемещением воды над и под поверхностью планеты.
Спутники движутся вместе в чрезвычайно точной формации. Когда передний аппарат пролетает над регионом с увеличенной массой, например над речным бассейном, распухшим от воды, более сильное гравитационное притяжение изменяет расстояние между двумя спутниками на очень малую, но регистрируемую величину.
GRACE-FO — это партнёрство между NASA 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 предназначена для продолжения почти 25-летней серии наблюдений GRACE за тем, как вода и масса перемещаются по Земле.
Материалы предоставлены NASA. Оригинал статьи написан Салли Янгер. Примечание: содержание могло быть отредактировано в целях стиля и объёма.
Donald F Argus, Kevin M Gaastra, Bruce J Haines, Michael B Heflin, Felix W Landerer, Athina Peidou, David N Wiese, Geoff Blewitt, Corné Kreemer, Henryk Dobslaw, Matthew J Swarr. Estimation and cause of the seasonal oscillation between Earth’s centre of mass and centre of figure. Geophysical Journal International, ноябрь 2026 DOI: 10.1093/gji/ggag314
