Dlaczego doba nieco się zmienia: rola wewnętrznego jądra i płaszcza Ziemi

• Doby zmieniają się o kilka milisekund
• Cieczowe jądro przyspiesza, płaszcz zwalnia i odwrotnie
• Grawitacyjny moment obrotowy wewnętrznego jądra wpływa na mantle
• Równowaga grawitacji i tarcia ogranicza zmiany długości dnia

Dla większości ludzi doba postrzegana jest jako niezmienny 24‑godzinny odcinek, jednak pomiary pokazują, że długość dni ziemskich zmienia się o ułamki milisekundy. Takie odchylenia są rejestrowane za pomocą wysokoprecyzyjnych metod astronomicznych i geofizycznych, które pozwalają śledzić, jak zmienia się prędkość obrotu planety.

W ciągu ostatnich trzydziestu lat naukowcy odkryli, że ciekłe zewnętrzne jądro Ziemi obraca się z zmienną prędkością. Pole magnetyczne planety, generowane przez ruch tej warstwy, świadczy o tym, że w ciągu kilku dziesięcioleci jądro może przyspieszać, a następnie zwalniać. Przy tym przeciwne zmiany obserwuje się w mantle – masywnej warstwie skalnej o grubości około 3000 km, obejmującej skorupę ziemską.

Wymiana momentu pędu

Taki wzajemny wymiana prędkości tłumaczy się prawem zachowania całkowitego momentu kątowego Ziemi. Kiedy zewnętrzne jądro przyspiesza, płaszcz nieznacznie zwalnia, i odwrotnie. Nawet niewielkie zmiany w prędkości płaszcza mogą zmienić długość doby o kilka tysięcznych sekundy.

Dokładny mechanizm przekazywania momentu kątowego między warstwami przez długi czas pozostawał nieznany. W badaniu opublikowanym 23 września w czasopiśmie Natura, fizycy z Uniwersytetu Alberty – doktorant Huaifen Zhang i profesor Matthieu Dumoulin – zaproponowali wyjaśnienie oparte na grawitacyjnym momencie obrotowym.

Grawitacyjny i magnetyczny moment obrotowy

Naukowcy pokazali, że niewielkie zmiany prędkości obrotowej stałego wewnętrznego jądra, znajdującego się w samym centrum planety, tworzą grawitacyjny moment obrotowy. Ponieważ wewnętrzne jądro nie jest idealnie sferyczne, jego ruch oddziałuje z niejednorodnościami masy w płaszczu, powodując lekkie przyspieszenie lub spowolnienie tego ostatniego.

Jednocześnie na granicy jądra i płaszcza działa tzw. moment obrotowy granicy jądra-płaszcza. Jest on spowodowany tarciem i oporem elektromagnetycznym, które przeciwdziałają grawitacyjnemu przyciąganiu i ograniczają wielkość zmiany długości doby.

Zgodnie z wnioskami badaczy, obserwowane wahania długości dnia wynikają z równowagi między tymi dwoma siłami: grawitacyjnym momentem obrotowym a oporem na granicy jądra-płaszcza. Kiedy jedna z sił się wzmacnia, druga kompensuje jej wpływ, utrzymując ogólny moment kątowy planety.

Oprócz wyjaśnienia od dawna znanego fenomenu, wyniki pracy dają wgląd w dynamikę najgłębszych warstw Ziemi. Autorzy zauważają, że wewnętrzne jądro deformuje się „wiskoelastycznie” na dziesięcioletnich skalach, co świadczy o bardziej elastycznym i ruchliwym zachowaniu planetarnego jądra, niż wcześniej przypuszczano.

Te wnioski otwierają nowe możliwości badania geodynamiki planety, pomagają w precyzowaniu modeli obrotu Ziemi i mogą mieć praktyczne konsekwencje dla systemów nawigacyjnych o wysokiej precyzji, które zależą od dokładnego czasu.

Źródło: ScienceDaily