Центр масс Земли не находится в неподвижном состоянии. Сезонные перемещения воды, льда и воздуха по планете перераспределяют достаточно веса, чтобы смещать центр масс относительно геометрического центра Земли на доли дюйма. Специалисты NASA внимательно отслеживают это едва заметное движение, поскольку центр масс Земли служит ключевой точкой отсчёта для спутниковой навигации и измерений высоты поверхности.
Группа исследователей под руководством Лаборатории реактивного движения NASA в Южной Калифорнии разработала метод, позволяющий измерять эти сезонные смещения с исключительной точностью. Техника и результаты работы описаны в новом исследовании, опубликованном в Geophysical Journal International. Работа показывает, как крупные сезонные изменения, включая таяние снега, перемещение океанской воды и плотный зимний воздух, перераспределяют огромные массы по поверхности Земли.
Учёные десятилетиями разрабатывают способы определения и локализации центра масс Земли с помощью космических наблюдений. Сложность в том, что этот центр не остаётся в одной фиксированной точке. Если бы Земля вела себя как полностью твёрдый шар, её центр масс совпадал бы с геометрическим центром. Однако планета реагирует на смещение веса воды, льда и атмосферы. Когда эти материалы перемещаются, центр масс Земли обращается вокруг её геометрического центра на расстояние до нескольких миллиметров.
Определить точную величину этого движения оказалось непросто. Две последние международные оценки, сделанные в 2017 и 2023 годах, различаются на 0,27 дюйма (7 миллиметров), что примерно равно высоте трёх сложенных монет. Это расхождение почти так же велико, как само движение, которое учёные пытаются измерить. Чтобы сократить неопределённость, геофизик JPL Дональд Аргус возглавил разработку нового подхода, опирающегося на предельно точное спутниковое слежение. Гравитация заставляет спутники обращаться вокруг центра масс Земли. Когда этот центр смещается, учёные могут улавливать мельчайшие изменения расстояний между орбитальными аппаратами и наземными станциями слежения.
Учёные давно используют спутники для определения положения центра масс Земли. Два плотных металлических спутника, запущенных в 1976 и 1992 годах, были созданы специально для этой цели. Лазерные геодинамические спутники (LAGEOS 1 и 2) напоминают дискотечные зеркальные шары весом 900 фунтов (408 килограммов), покрытые отражающими призмами. Наземные станции более чем в 20 странах направляют на спутники лазеры и точно измеряют возвращающиеся сигналы. Одна из проблем этого метода в том, что лазерные станции слежения распределены по земному шару неравномерно. Новый подход решает это ограничение двумя способами. Исследователи объединяют лазерные измерения с GPS-слежением и орбитальной информацией от нескольких спутников на низкой околоземной орбите, получая более широкий набор объектов для наблюдения. Они также учитывают, как меняющийся вес воды и льда изгибает земную кору, из-за чего сами наземные станции слегка смещаются вместе с поверхностью под ними. Аргус разработал эту методику вместе с учёными из команды определения спутниковых орбит JPL, Университета Невады, Университета Монтаны и Центра геонаук имени Гельмгольца в Германии.
«Сейчас мы оцениваем величину движения центра масс Земли туда и обратно каждый год примерно вдвое меньше, чем считали восемь лет назад, — сказал Аргус. — Наши результаты говорят о том, что масса воды и воздуха Земли, перемещающаяся между полушариями, меньше, чем предполагалось ранее». Хотя речь идёт о крошечных расстояниях, их значение выходит далеко за пределы лаборатории. Феликс Ландерер, один из соавторов исследования в JPL, отметил, что «хотя эти движения могут казаться крошечными, наш современный мир полагается на предельно точные измерения положения. Разбираясь и понимая механизмы, которые меняют системы отсчёта, мы можем строить более совершенные системы отсчёта, что в итоге приносит пользу картографии и навигации — от глобальной логистики морских перевозок до точного земледелия».
Исследователи проследили сезонное движение центра масс Земли и связали его с тремя основными источниками: океанами, атмосферой и континентальной водой (включающей наземный лёд, снег, воду озёр и рек, влагу почвы и подземные воды). Эффекты меняются в течение года, поскольку вода и воздух накапливаются в разных частях мира. Снег в Северной Америке и Евразии достигает наибольшего накопления в марте. Эта добавленная масса смещает центр масс Земли примерно на 3 миллиметра к Северному полюсу. В апреле бассейн реки Амазонки достигает сезонного максимума дождевой воды, удерживая около 2400 гигатонн. Эта огромная концентрация воды притягивает центр масс Земли на 2,2 миллиметра в сторону Южной Америки. Ещё один вклад появляется позже в году. Муссонная вода в Юго-Восточной Азии достигает пика в 600 гигатонн в ноябре, через шесть месяцев после максимума Амазонки, и добавляет меньшую величину к годовому движению.
Океанская вода также играет важную роль в сезонном смещении. С августа по октябрь талая вода и осадки добавляют массу океанам, толкая центр масс Земли в сторону Южной части Тихого океана. Поскольку Тихий океан столь огромен, изменения его массы могут перевешивать прирост или потери в других океанических бассейнах. Тем не менее сезонные изменения в Средиземном, Красном, Северном, Балтийском и Баренцевом морях каждое вносит меньший вклад в движение центра Земли. Атмосфера добавляет ещё один слой к этому циклу. Исследователи использовали модель, созданную Европейским центром среднесрочных прогнозов погоды, чтобы оценить, как сезонные атмосферные изменения влияют на центр масс Земли. Их анализ показал, что холодный и плотный зимний воздух смещает баланс в сторону Аравии, Азии и Северной Африки примерно 21 декабря каждого года. Около 21 июня соответствующий эффект возникает над Южной Америкой и Южной Африкой.
Оценки массы, полученные в новом анализе, согласуются с наблюдениями миссии Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO). Запущенная в 2018 году, GRACE-FO состоит из двух спутников, которые измеряют ежемесячные изменения гравитационного поля Земли. Значительная часть меняющейся гравитации вызвана перемещением воды над и под поверхностью планеты. Спутники движутся вместе в предельно точной формации. Когда ведущий аппарат проходит над регионом с избыточной массой, например над переполненным водой речным бассейном, более сильное гравитационное притяжение меняет расстояние между двумя спутниками на крошечную, но обнаружимую величину. GRACE-FO — это партнёрство NASA и Немецкого исследовательского центра геонаук (GFZ). Учёные уже готовят следующее поколение этих измерений. Миссия GRACE-Continuity (GRACE-C) нацелена на запуск в конце 2028 года и призвана продолжить почти 25-летнюю серию наблюдений GRACE за тем, как вода и масса перемещаются по Земле.