Гравитационная борьба между ядром и мантией разрешила загадку, существующую уже 30 лет: почему продолжительность дня непредсказуемо изменяется на миллисекунды
Продолжительность дня на Земле никогда не составляет ровно 24 часа — разница достигает всего нескольких миллисекунд, но со временем эти незначительные изменения накапливаются. Исследовательская группа геофизиков из Альбертского университета в Канаде выяснила, что основным фактором этих изменений является «гравитационное перетягивание» между твёрдым внутренним ядром Земли и плотными зонами мантии.
Около трех десятилетий назад учёные обнаружили, что жидкое внешнее ядро и твёрдая мантия обмениваются угловым моментом: когда ядро ускоряется, мантия слегка замедляется, и сутки удлиняются, а когда ядро замедляется — мантия ускоряется, и сутки становятся короче. Это перераспределение позволяет сохранить постоянным общий угловой момент планеты. Однако физический процесс, который передаёт момент от ядра к мантии, оставался загадкой.
Ответ был найден в асимметрии внутреннего ядра. Твёрдое железное ядро с радиусом примерно 1220 километров не идеально круглое. Когда его вращение изменяется, неравномерно распределённая масса смещается относительно плотных неоднородностей в мантии. Гравитация тянет обе структуры обратно к равновесию — возникает гравитационный момент, который либо ускоряет, либо замедляет мантию, изменяя длину суток. В то же время существует встречный эффект: на границе ядра и мантии трение и электромагнитное сопротивление создают замедляющий момент, который ограничивает влияние гравитации. Наблюдаемые миллисекундные колебания длины суток являются следствием тонкого баланса этих двух противоборствующих сил. До получения этих результатов учёные не знали, что механизм функционирует именно так.
Наиболее неожиданным выводом модели стало поведение самого внутреннего ядра. Железное ядро, находящееся под давлением около 3,6 миллиона атмосфер и при температуре, сопоставимой с температурой поверхности Солнца, ведёт себя не как абсолютно твёрдое тело — согласно расчётам, оно вязко деформируется с характерным временем около 10 лет. Для объекта, который сейсмологи обычно описывают как кристаллически упорядоченный и жёсткий, это парадоксальный результат.
Данное исследование является модельным: команда проверила сочетания противоборствующих сил на шестидесятилетнем архиве данных о вращении Земли, и наилучшее соответствие наблюдениям показала модель, в которой гравитационный момент имеет преобладающее значение. Прямых измерений движения внутреннего ядра не существует — его характеристики определяются по особенностям прохождения сейсмических волн, и эти данные имеют свои погрешности и остаются предметом обсуждений среди сейсмологов. Авторы подчеркивают: следующим шагом будет проверка гравитационного объяснения на новых данных, а не только на исторических.
Практическое значение выходит за рамки фундаментальной геофизики. Атомные часы обеспечивают гораздо более стабильный отсчёт времени, чем вращение планеты, поэтому с 1972 года в шкалу Всемирного координированного времени (UTC) периодически добавляли «високосные секунды», чтобы поддерживать формальное время вблизи астрономического. В 2022 году Международное бюро мер и весов проголосовало за отказ от этой практики к 2035 году — отчасти из-за трудностей с предсказанием вращения Земли. Лучшее понимание глубинных сил, изменяющих продолжительность суток, может улучшить долгосрочные прогнозы, хотя авторы текущей работы пока не предоставляют таких прогнозов. На практике всё просто: часы, показывающие ровно 24 часа, отсчитывают атомное время, в то время как планета следует своему собственному, слегка неточному ритму, который частично определяется медленным гравитационным обменом на глубине в тысячи километров.
Источники:Nature0космосСпутникиГеофизикаСейсмологияЯдро Земли26 минут назад
Источник