08.12.2016

Земля не только вертится: она раскачивается и трясется

Почва, на которой мы стоим, не так тверда, как кажется. Несколько факторов заставляют всю Землю дрожать и покачиваться. Твердость и неизменность земли под ногами - иллюзия, порожденная нашей ограниченной точкой зрения. Наша планета вращается вокруг своей оси каждые 23 часа 56 минут и 4 секунды. Она также вращается вокруг Солнца, Солнечная система вращается вокруг центра Млечного Пути, а галактика мчится по Вселенной в направлении Великого аттрактора. Скорости, участвующие во всем этом действии, просто головокружительные.

Даже если не принимать во внимание все это, Земля далеко не стабильна. Где-то под нами огромные куски пород постоянно ломают друг друга, образуя долины, выталкивая горы. Сталкиваются и перетаскивают друг друга, образуя реки и океаны. Земля под нами постоянно и всегда меняется, растягивается и шатается.

По большей части в этом нет ничего страшного. Тем не менее наше растущее понимание этих явлений позволяет нам узнавать больше о внутренней работе нашей планеты. Это также удобно для всех, кто пытается провести и посадить космический аппарат. Существует семь вещей, которые заставляют Землю двигаться. «Eppur si muove!», - говорил Галилей. И всё-таки она вертится.

Под давлением

Настольный глобус - идеальная сфера, поэтому он плавно вращается вокруг неподвижной оси. Тем не менее Земля не является сферой, а масса в ней распределена неравномерно и склонна передвигаться. Поэтому движется и ось, вокруг которой вращается планета, и полюса этой оси. Более того, поскольку ось вращения отличается от оси, вокруг которой уравновешивается масса, Земля качается по мере вращения.

Это колебание предсказывали ученые еще в эпоху Исаака Ньютона. И если быть точным, это колебание состоит из нескольких.

Одно из важнейших - это колебания Чендлера, которые впервые наблюдал американский астроном Сет Чендлер-младший в 1891 году. Оно приводит к движениям полюсов на 9 метров и завершает полный цикл за 14 месяцев.

На протяжении 20 века ученые выдвигали массу разных причин, включая изменения в хранении континентальных вод, атмосферном давлении, землетрясения, взаимодействия на границы ядра и мантии Земли.

Геофизик Ричард Гросс из Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) в Пасадене, Калифорния, разрешил тайну в 2000 году. Он применил новые метеорологические и океанические модели к наблюдениям колебаний Чендлера в 1985-1995 годах. Гросс подсчитал, что две трети этих колебаний вызываются колебанием давления на морском дне и одна треть - изменением атмосферного давления.

«Их относительная значимость меняется со временем, - говорит Гросс, - но в настоящее время эта причина, сочетание изменений в атмосферном и океаническом давлении, считается основной».

Вода камень точит

Времена года - второй крупнейший фактор, имеющий отношение к колебанию Земли. Потому что они приводят к географическим изменениям в количестве дождя, снега и влажности.

Ученые смогли определить полюса, используя относительные положения звезд, еще в 1899 году, а с 1970-х им в этом помогали спутники. Но даже если устранить влияние колебаний сезонных и Чендлера, северный и южный полюса вращения по-прежнему двигаются относительно земной коры.

В исследовании, опубликованном в апреле 2016 года, Сурендра Адикари и Эрик Айвинс из JPL выделили два важнейших кусочка головоломки колебания Земли.

До 2000 года ось вращения Земли двигалась в направлении Канады по два дюйма в год. Но затем измерения показали, что ось вращения изменила направление на Британские острова. Некоторые ученые предположили, что это может быть результатом потери льда вследствие быстрого таяния гренландских и антарктических льдов.

Адикари и Айвинс решили проверить эту идею. Они сравнили GPS-измерения положений полюсов по данными GRACE, исследования, которое использует спутники для измерения изменений масс по всей Земле. Им удалось выяснить, что таяние гренландских и антарктических льдов объясняет только две трети недавнего смещения направлений движения полюсов. Остальное, по мнению ученых, должно объясняться потерей воды на континентах, в основном на евразийском участке суши.

Этот регион страдает от истощения водоносного горизонта и засухи. Тем не менее поначалу объем воды, участвующей в этом, кажется слишком небольшим, чтобы привести к таким последствиям.

Поэтому ученые взглянули на положение пострадавших областей. «Из фундаментальной физики вращающихся объектов мы знаем, что движение полюсов очень чувствительно к изменениям в пределах 45 градусов широты», говорит Адикари. То есть именно там, где Евразия потеряла воду.

Это исследование также определило континентальное хранилище воды в качестве правдоподобного объяснения другого колебания при вращении Земли.

На протяжении всего 20 века ученые не могли понять, почему ось вращения смещается каждые 6-14 лет, уходя на 0,5-1,5 метра к востоку или западу от ее общего дрейфа. Адикари и Айвинс выяснили, что с 2002 по 2015 год сухие годы в Евразии соответствовали качелями на восток, а влажные - движениями на запад.

«Мы нашли идеальное соответствие», говорит Адикари. «Впервые кто-то успешно идентифицировал идеальное соответствие межгодового полярного движения и глобальной межгодовой засухи-влажности».

Техногенное влияние

Движения воды и льда обусловлены сочетанием природных процессов и действий человека. Но есть и другие эффекты, которые влияют на раскачивание Земли.

В 2009 году Феликс Ландерер, тоже из JPL, подсчитал, что если уровень двуокиси углерода удвоится с 2000 до 2100 года, океаны потеплеют и расширятся так, что северный полюс будет смещаться на 1,5 сантиметра в год в направлении Аляски и Гавайев весь следующий век.

Аналогичным образом, в 2007 году Ландерер смоделировал последствия потепления океана, вызванные тем же увеличением давления и циркуляции за счет двуокиси углерода на дне океана. Он обнаружил, что эти изменения могут сместить массу на более высоких широтах и сократят сутки примерно на 0,1 миллисекунды.

Землетряска

Не только большие объемы воды и льда влияют на вращение Земли по мере своего перемещения. Смещение пород тоже оказывает такой эффект, если они достаточно велики.

Землетрясения происходят, когда тектонические плиты, составляющие поверхность Земли, внезапно начинают «притираться», проходя мимо. Это тоже могло бы внести свою лепту. Гросс измерил мощное 8,8-балльное землетрясение, которое произошло на побережье Чили в 2010 году. В пока не опубликованном исследовании он рассчитал, что движение плит сместило ось Земли относительно баланса массы примерно на 8 сантиметров.

Но это только на основании оценки модели. С тех пор Гросс и другие пытались наблюдать реальные сдвиги во вращении Земли, исходя из данных GPS-спутников о землетрясениях.

Пока это было безуспешно, потому что довольно трудно удалить все другие факторы, влияющие на вращение Земли. «Модели не идеальны и есть много шума, маскирующего небольшие сигналы землетрясений», говорит Гросс.

Движение масс, которое происходит при прохождении тектонических плит рядом, также влияет на длину суток. Гросс подсчитал, что землетрясение магнитудой 9,1, которое поразило Японию в 2011 году, сократило продолжительность дня на 1,8 микросекунды.

Дрожь земли

Когда происходит землетрясение, оно запускает сейсмические волны, проносящие энергию через недра Земли.

Их бывает два типа. «P-волны» несколько раз сжимают и расширяют материал, через который проходят; вибрации распространяются в том же направлении, что и волна. Более медленные «S-волны» раскачивают породы из стороны в сторону, и вибрации проходят под прямым углом к их направлению движения.

Интенсивные бури также могут создавать слабые сейсмические волны, подобные тем, что вызывают землетрясения. Эти волны называются микросейсмы. До недавнего времени ученые не могли определить источник S-волн у микросейсм.

В исследовании, опубликованном в августе 2016 года, Киваму Нишида из Университета Токио и Риота Такаги из Университета Тохоку сообщили, что использовали сеть из 202 детекторов на юге Японии, чтобы отследить P- и S-волны. Они проследили происхождение волн до крупного североатлантического шторма под названием «погодная бомба»: в этой буре атмосферное давление в центре падает необычайно быстро.

Отслеживание микросейсм таким образом поможет исследователям лучше понять внутреннюю структуру Земли.

Влияние луны

Не только земные явления влияют на движения нашей планеты. Последние исследования показали, что крупные землетрясения происходят при полной и новой луне. Возможно, это потому что Солнце, Луна и Земля выстроены в линию, таким образом увеличивается гравитационная сила, действующая на планету.

В исследовании, опубликованном в сентябре 2016 года, Сатоши Иде из Университета Токио и его коллеги проанализировали приливные напряжения в течение двухнедельных периодов до крупных землетрясений, произошедших за последние двадцать лет. Из 12 крупнейших землетрясений силой 8,2 балла или выше, девять произошли при полной или новой луне. Для малых землетрясений такого соответствия выявлено не было.

Иде заключил, что дополнительное гравитационное влияние, которое появляется в эти моменты, может увеличивать воздействие сил на тектонические плиты. Эти изменения должны быть небольшими, но если плиты уже под напряжением, дополнительной силы может быть достаточно, чтобы запустить крупные переломы пород.

Однако многие ученые скептически относятся к выводам Иде, поскольку он изучил только 12 землетрясений.

Дрожь солнца

Еще более спорной является мысль, что вибрации, которые рождаются глубоко внутри Солнца, могут объяснить ряд явлений тряски на Земле.

Когда газы движутся внутри Солнца, они рождают два разных типа волн. Те, что рождаются в процессе изменений давления, называются p-моды, а те, что формируются, когда плотный материал засасывается внутрь под действием гравитации, - g-моды.

P-моду требуется несколько минут, чтобы завершить полный цикл вибраций; g-моду требуется от десяти минут до нескольких часов. Это количество времени называется «периодом» мода.

В 1995 году группа под руководством Дэвида Томсона из Королевского университета в Кингстоне, Канада, проанализировала модели поведения солнечного ветра - потока заряженных частиц, который проистекает от Солнца - с 1992 по 1994 год. Они заметили колебания, которые имели такие же периоды, что и p- и g-моды, что говорит о том, что солнечные вибрации как-то были связаны с солнечным ветром.

В 2007 году Томсон снова сообщил о том, что необъяснимые колебания напряжения в кабелях подводных коммуникаций, сейсмические измерения на Земле и даже обрывы телефонных звонков имеют частотные паттерны, соответствующие волнам внутри Солнца.

Однако ученые считают, что заявления Томсона имеют под собой зыбкую почву. В соответствии с моделированием, эти солнечные вибрации, особенно g-моды, должны быть настолько слабыми к тому времени, как достигают поверхности Солнца, что никак не могли бы повлиять на солнечный ветер. Даже если это не так, эти паттерны должны были уничтожаться турбулентностью межпланетной среды задолго до достижения Земли.

Возможно, идея Томсона не верна. Но есть много других причин, почему наша планета трясется и качается.

Илья Хель

Источники:

1. hi-news.ru