Why days change slightly: the role of the Earth's inner core and mantle

• Сутки меняются на несколько миллисекунд
• Жидкое ядро ускоряется, мантия замедляется и наоборот
• Гравитационный крутящий момент внутреннего ядра влияет на мантии
• Баланс гравитации и трения ограничивает изменения длительности дня

Для большинства людей сутки воспринимаются как неизменный 24‑часовой отрезок, однако измерения показывают, что длительность земных дней меняется на доли миллисекунды. Такие отклонения фиксируются с помощью высокоточных астрономических и геофизических методов, позволяющих проследить, как меняется скорость вращения планеты.

За последние тридцать лет учёные обнаружили, что жидкое внешнее ядро Земли вращается с переменной скоростью. Магнитное поле планеты, генерируемое движением этого слоя, свидетельствует о том, что за несколько десятилетий ядро может ускоряться, а затем замедляться. При этом противоположные изменения наблюдаются в мантии – массивном каменном слое толщиной около 3000 км, включающем земную кору.

Обмен угловым моментом

Такой взаимный обмен скоростью объясняется законом сохранения полного углового момента Земли. Когда внешнее ядро ускоряется, мантия слегка замедляется, и наоборот. Даже незначительные изменения в скорости мантии способны изменить длительность суток на несколько тысячных долей секунды.

Точный механизм передачи углового момента между слоями долго оставался неизвестным. В исследовании, опубликованном 23 сентября в журнале Nature, физики из Университета Альберты – аспирант Хуайфэн Чжан и профессор Матье Думберри – предложили объяснение, основанное на гравитационном крутящем моменте.

Гравитационный и магнитный крутящий момент

Учёные показали, что небольшие изменения скорости вращения твёрдого внутреннего ядра, расположенного в самом центре планеты, создают гравитационный крутящий момент. Поскольку внутреннее ядро не идеально сферическое, его движение взаимодействует с неоднородностями массы в мантии, вызывая лёгкое ускорение или замедление последней.

Одновременно на границе ядра и мантии действует так называемый крутящий момент границы ядра‑мантии. Он обусловлен трением и электромагнитным сопротивлением, которые противодействуют гравитационному притяжению и ограничивают величину изменения длительности суток.

Согласно выводам исследователей, наблюдаемые колебания длительности дня возникают из баланса между этими двумя силами: гравитационным крутящим моментом и сопротивлением на границе ядра‑мантии. Когда одна из сил усиливается, другая компенсирует её влияние, поддерживая общий угловой момент планеты.

Помимо объяснения давно известного феномена, результаты работы дают представление о динамике самых глубоких слоёв Земли. Авторы отмечают, что внутреннее ядро «вискоэластично» деформируется на десятилетних масштабах, что свидетельствует о более гибком и подвижном поведении планетарного ядра, чем предполагалось ранее.

Эти выводы открывают новые возможности для изучения геодинамики планеты, помогают уточнить модели вращения Земли и могут иметь практические последствия для высокоточных навигационных систем, зависящих от точного времени.

Source: ScienceDaily