Для практических целей мы говорим, что одни сутки — время, за которое Земля совершает один оборот вокруг своей оси, — равны 24 часам. В реальности разные факторы на разных временных масштабах влияют на то, как быстро вращается наша планета, и учёные ещё не до конца это понимают.
Но новые результаты, опубликованные в Nature, возможно, наконец решают хотя бы одну из этих нерешённых загадок — а именно то, как вращение Земли меняется каждые несколько десятилетий. Согласно исследованию, многодесятилетние изменения в поведении Земли происходят из глубин нашей планеты. Три механизма — гравитационная, электромагнитная и топографическая связь — по сути конкурируют друг с другом, ускоряя или замедляя вращение Земли на протяжении нескольких десятилетий. В частности, гравитационная связь, или гравитационный «крутящий момент» между внутренним ядром Земли и мантией, создаёт крошечные изменения, которые отталкиваются двумя другими механизмами, объяснила Хуэйфэн Чжан, первый автор исследования.
«Что мне особенно интересно, так это то, что эти разные фрагменты информации могут объединиться, чтобы дать более связную картину глубин Земли — региона, который чрезвычайно трудно наблюдать напрямую», — сказала Чжан, докторант Университета Альберты в Канаде.
Изменения во времени
Учёные, изучающие вращение Земли, вероятно, исследуют разные факторы в зависимости от временного масштаба. Например, краткосрочные вариации контролируются изменениями в атмосферах и океанах, объяснила Чжан. С другой стороны, приливные взаимодействия с Луной происходят на протяжении миллионов лет. Относительные среднесрочные масштабы в несколько десятилетий — которые охватывает новая статья — долго оставались загадкой, по словам Чжан.
«Нашей основной мотивацией поэтому было исследовать относительный вклад различных механизмов связи ядра и мантии в наблюдаемые вариации», — добавила она. Для этого Чжан и её соавтор и научный руководитель Матьё Дамберри обратились к предыдущей работе 1988 года, которая показала, как обмен угловым моментом между ядром и мантией Земли может влиять на вращение Земли.
Пара выделила три возможных механизма, которые, вероятно, влияли на этот обмен. Гравитационная связь относится к гравитационным взаимодействиям между внутренним ядром и мантией и к тому, как быстро первое деформируется. Электромагнитная связь касается проводимости и толщины определённого слоя у основания мантии. Наконец, топографическая связь зависит от любых нерегулярностей, возникающих вдоль границы ядра и мантии.
Эти модели идут глубоко
Для исследования Чжан и Дамберри запустили статистические модели, чтобы оценить различные комбинации этих факторов против реальных наблюдений за последние шесть десятилетий. В результате они смогли обнаружить, что гравитационная связь оказала наибольшее влияние на изменения вращения Земли. Между тем два других механизма, по-видимому, служили своего рода буфером против этих изменений.
«Это позволяет предположить, что взаимодействия глубоко внутри Земли могут играть важную роль в ускорении или замедлении её вращения на протяжении нескольких десятилетий», — объяснила Чжан. Поскольку каждый механизм зависит от физических свойств, которые «ещё не хорошо поняты», результаты также «дают ценные ограничения на несколько свойств глубин Земли», добавила она.
Наблюдательные данные показывают, что между началом 1970-х и 2021 годом механизмы, управляемые ядром, очень незначительно изменяли длину суток на несколько миллисекунд — крошечное, но ощутимое изменение. В целом, земные сутки со временем становились короче.
Наша изменчивая планета
Опять же, последняя работа касается вариаций в масштабе десятилетий. Поскольку так много факторов вносят вклад в изменения вращения Земли, новое исследование само по себе — часть более крупной головоломки в понимании поведения нашей вечно меняющейся планеты. В настоящее время Чжан исследует, могут ли эти механизмы также играть роль в другом наблюдении — шестилетней осцилляции в длине суток.
«Даже крошечные изменения в вращении Земли могут дать ценную информацию о процессах, происходящих на тысячи километров под нашими ногами, — сказала она. — Комбинируя эти улучшенные наблюдения с измерениями вращения Земли и движения внутреннего ядра, мы надеемся разработать более детальную картину того, как взаимодействуют глубинные слои Земли и как движения на тысячи километров под поверхностью незаметно меняют длину наших суток».
