Мы привыкли считать, что сутки на Земле всегда занимают ровно 24 часа. В секундах этот показатель составляет 86 400, и кажется, что здесь давно не осталось никаких загадок. Но наша планета вращается не так ровно, как показывают часы. Продолжительность суток постоянно меняется, пусть речь и идет всего о нескольких миллисекундах.
Ученые нашли связь этих колебаний с процессами, которые происходят глубоко внутри Земли. Оказывается, на скорость вращения планеты может влиять даже твердое внутреннее ядро. И оно ведет себя гораздо интереснее, чем можно было предположить.
Почему сутки не всегда одинаковые
Продолжительность земных суток меняется под воздействием сразу нескольких процессов. На нее влияют приливы, движение атмосферы и ветры. Есть и более медленные изменения, которые заметны только при наблюдениях на протяжении десятилетий.
За последние 60 лет длительность суток несколько раз становилась то немного больше, то немного меньше. Разница измеряется миллисекундами, но для ученых эти колебания имеют большое значение. По ним можно судить о процессах, которые происходят внутри планеты.
Еще несколько десятилетий назад исследователи установили, что часть таких изменений связана с обменом вращением между мантией и ядром. Мантия представляет собой слой горячих пород толщиной около 2900 километров. Когда жидкое ядро ускоряется, мантия немного замедляется. При обратном процессе происходит то же самое. Оставался главный вопрос: какая сила заставляет эти огромные слои Земли менять скорость вращения?
Ученые проверили три версии
Исследователи рассмотрели три основных механизма. Первый связан с магнитными силами на границе между ядром и мантией. Второй вариант предполагает влияние потоков жидкого железа, которые взаимодействуют с неровностями на поверхности ядра. Третья версия связана с гравитацией внутреннего ядра. Именно она в итоге оказалась наиболее убедительной.
Твердое внутреннее ядро нельзя считать идеально круглым шаром. На его поверхности есть небольшие неровности. При этом похожие неоднородности присутствуют и в мантии. Из-за гравитационного притяжения они могут воздействовать друг на друга и создавать так называемый гравитационный крутящий момент.
Физики Хуйфэн Чжан и Матьё Дамбри сопоставили эти варианты с наблюдениями за период с 1964 по 2019 год. Результаты показали, что именно гравитационная версия лучше всего совпадает с реальными изменениями скорости вращения Земли.
Внутреннее ядро движется туда и обратно
Особый интерес вызвало поведение внутреннего ядра. Согласно сейсмической реконструкции, опубликованной в 2023 году исследователями Пекинского университета, оно способно менять направление своего движения относительно мантии.
Получается своеобразное медленное покачивание. Внутреннее ядро сначала смещается в одну сторону, а затем начинает двигаться обратно. Полный цикл, по оценке исследователей, может занимать около семи десятилетий.
Около 2009 года его относительное вращение практически остановилось, после чего направление движения изменилось. Когда неровности внутреннего ядра смещаются относительно мантии, они меняют распределение массы и воздействуют на окружающие породы. Так возникает дополнительный крутящий момент. Именно этот процесс, по новой модели, способен объяснить многолетние колебания продолжительности суток на Земле.
Небольшие неровности меняют вращение планеты
Размер этих неровностей по меркам Земли совсем небольшой. Их высота составляет примерно от 11 до 29 метров. Но даже такого перепада достаточно, чтобы гравитация создавала заметное воздействие на вращение всей планеты.
Расчеты показывают, что внутреннее ядро в среднем смещается относительно мантии примерно на 0,12 градуса в год. За 9000 лет это могло бы дать почти три полных оборота.
Исследование дает ученым еще одну подсказку о строении глубинных слоев Земли. Результаты допускают существование в нижней части мантии крупных скоплений теплых пород с необычным химическим составом.
Есть и другая версия: непосредственно над ядром может находиться тонкий слой материала, богатого железом и способного проводить электричество (читайте также: На остров, зараженный змеями, сбросили 50 мангустов: через 3 года ученые высадились и не нашли ни одной змеи — они нашли кое-что похуже).
Почему ученые пока не ставят точку
Исследования внутреннего ядра остаются спорными. Ученые не могут увидеть его напрямую и вынуждены восстанавливать происходящее по сейсмическим волнам и математическим моделям. При этом расчеты зависят от того, какую модель движения вещества во внешнем ядре использовать. Авторы новой работы допускают, что некоторые оценки могут отличаться примерно на 30 процентов.
Кроме того, исследование описывает изменения, которые происходят на протяжении нескольких десятилетий. Более короткие колебания, вероятно, связаны с процессами на границе ядра и мантии. Пока также неизвестно, повторяется ли обнаруженный цикл продолжительностью около 70 лет на еще больших промежутках времени.
Что дают нам эти миллисекунды
Для обычного человека разница в несколько миллисекунд ничего не меняет. Никто не опоздает на работу из-за того, что Земля однажды повернулась чуть быстрее. Но для науки это совсем другая история. Вращение планеты оказывается менее стабильным, чем работа атомных часов, по которым сегодня определяется точное время (читайте также: Ученые погрузили 1500 елок на дно озера — через 3 года они увидели нечто невероятное).
Изучая такие крошечные отклонения, ученые получают возможность заглянуть в самые глубокие области Земли. Пока картина остается неполной, а разные модели продолжают спорить между собой. Но новые данные показывают: на продолжительность земных суток могут влиять процессы, происходящие более чем в 4800 километрах под поверхностью.