Земной день действительно меняет длину. Причина спрятана в ядре планеты

В сутках не всегда ровно 24 часа. Разница настолько мала, что отменять будильник пока рано. Но продолжительность земного дня действительно колеблется — иногда на несколько миллисекунд.

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, предлагает объяснение одного из самых загадочных ритмов планеты: многолетних изменений скорости её вращения.

Оказалось, глубоко под нашими ногами идёт постоянное гравитационное перетягивание каната между твёрдым внутренним ядром, жидким внешним ядром и мантией.

А поверхность, на которой мы живём, слегка ускоряется или замедляется вместе с результатом этой борьбы.

Земля — не идеально твёрдый шар

Условные 24 часа — это средняя продолжительность солнечных суток.

В действительности Земля вращается не с постоянной скоростью. На неё одновременно воздействует множество процессов.

В течение дня свою роль играют приливы. Сезонные изменения связаны с движением атмосферы и океанов. На протяжении миллионов лет вращение планеты постепенно замедляет гравитация Луны.

Но существуют и более загадочные колебания продолжительностью от десяти до семидесяти лет. Из-за них сутки могут становиться длиннее или короче на несколько миллисекунд.

Причина находится не в космосе и не на поверхности.

Она скрыта на глубине нескольких тысяч километров.

Три слоя вращаются не совсем одинаково

Земля состоит из нескольких огромных оболочек, способных двигаться относительно друг друга.

Снаружи находится твёрдая мантия вместе с земной корой. Под ней — жидкое внешнее ядро из раскалённого железа. Его движение создаёт магнитное поле планеты.

В самом центре расположено твёрдое внутреннее ядро — железная сфера радиусом около 1220 километров.

Все эти слои вращаются, но не обязательно с совершенно одинаковой скоростью.

Когда один слой получает немного углового момента, другой должен его потерять. Примерно так фигурист вращается быстрее, прижимая руки к телу, — только в масштабах целой планеты.

Гравитация пытается выровнять ядро

Авторы исследования Хуэйфэн Чжан и Матьё Дамберри из Университета Альберты объединили несколько типов данных.

По сейсмическим волнам они восстановили, как менялось вращение внутреннего ядра. Из изменений магнитного поля получили представление о потоках жидкого металла во внешнем ядре. Затем рассчитали силы, способные передавать движение между ядром и мантией.

Ранее учёные рассматривали три основных механизма: электромагнитное взаимодействие, давление жидкости на неровности границы ядра и мантии и гравитационное притяжение между внутренним ядром и неоднородностями мантии.

Лучше всего наблюдения объяснила именно гравитация.

Внутреннее ядро и нижняя часть мантии распределены не абсолютно симметрично. Когда потоки жидкого металла слегка поворачивают внутреннее ядро относительно мантии, гравитация стремится вернуть их в более устойчивое положение.

Возникает крутящий момент.

Он передаёт часть вращательного движения мантии или, наоборот, возвращает его ей. Поскольку поверхность является частью этой системы, продолжительность суток немного меняется.

Электромагнитные и топографические силы, согласно новой модели, тоже участвуют в процессе, но преимущественно противодействуют гравитационному движению — работают как своеобразный тормоз.

Что удалось объяснить

Исследователи анализировали изменения длины суток с 1964 по 2019 год, предварительно исключив сезонное влияние атмосферы и океанов, замедление из-за лунных приливов и другие известные факторы.

Гравитационная модель смогла воспроизвести и величину, и фазу наблюдавшихся многодесятилетних колебаний — продолжительностью примерно 60–70 лет.

Авторы подчёркивают: речь идёт о модели, зависящей от пока ещё несовершенных реконструкций движения ядра. Результат объясняет конкретный медленный цикл, а не все изменения скорости вращения Земли.

Но он позволяет использовать продолжительность дня как инструмент для изучения области, до которой невозможно добраться ни бурением, ни прямыми приборами.

Модель, например, указывает, что внутреннее ядро может быть менее жёстким, чем принято представлять, и способно изменять форму в течение примерно десяти лет.

Зачем измерять миллисекунды

Несколько миллисекунд никак не изменят человеческий распорядок дня. Однако для спутниковой навигации, астрономических наблюдений, космических аппаратов и систем точного времени скорость вращения Земли имеет значение.

Ещё важнее то, что эти отклонения позволяют заглянуть внутрь планеты.

Мы не можем увидеть потоки раскалённого железа во внешнем ядре. Зато можем наблюдать магнитное поле, распространение сейсмических волн и крошечные изменения вращения Земли — а затем соединять эти данные в единую картину.

Обычные 24 часа оказываются не строгой настройкой планеты, а средним результатом огромного количества движений, происходящих в атмосфере, океанах и глубоко под земной корой.

Кажется, сутки начинаются утром и заканчиваются вечером.

Но их точная продолжительность решается в центре Земли.