الاقتران الجاذبي في أعماق باطن الأرض يغير معدل دوران الكوكب

يتسبب تفاعل جاذبي معقد بين النواة الداخلية الصلبة للأرض والوشاح الذي يعلوها في تغيير معدل دوران الكوكب، مما يؤدي إلى تغييرات طفيفة في الطول الدقيق لليوم الشمسي، وفقًا لتغطية صحفية أعدها Jorge Garay. وتنبع هذه الظاهرة من ديناميكية فيزيائية عميقة في باطن الأرض، حيث تؤثر قوى الجاذبية التي تمارسها المناطق الكثيفة من الوشاح السليكاتي بالحبس على النواة الداخلية المعدنية الصلبة. ويعمل هذا الاقتران الجاذبي جنبًا إلى جنب مع عزوم الدوران الكهرومغناطيسية الناتجة عن النواة الخارجية السائلة، مما يخلق تبادلاً مستمرًا للزخم الزاوي بين باطن الكوكب والطبقات السطحية. ونتيجة لذلك، يتذبذب الوقت المطلوب للأرض لإكمال دورة كاملة حول محورها بأجزاء صغيرة من المليثانية عبر دورات تمتد لعدة عقود، مما يؤثر بشكل مباشر على قياسات دوران الكوكب وأنظمة التزامن العالمية الفائقة الدقة.

## Key facts - تؤثر قوى الجاذبية بين النواة الداخلية الصلبة للأرض والوشاح السفلي جنبًا إلى جنب مع ديناميكيات النواة الخارجية لتغيير سرعات دوران الكوكب. - تتسبب التقلبات في الدوران الداخلي للأرض في تغيير طول اليوم الشمسي بزيادات تتراوح بين الميكروثانية والمليثانية على مدى فترات متعددة العقود. - تعلق النواة الداخلية الصلبة، المكونة أساسًا من سبائك الحديد والنيكل وبنصف قطر يبلغ حوالي 1,220 كيلومترًا، داخل نواة خارجية سائلة يبلغ سمكها حوالي 2,200 كيلومتر. - يوازن ضبط الوقت العالمي الحديث بين التوقيت العالمي المنسق (UTC)، المدفوع بساعات ذرية عالية الدقة، والتوقيت الفلكي (UT1)، الذي يعكس معدل دوران الأرض الفيزيائي. - يعتمد الرصد الدقيق لطول اليوم على القياسات الجيوديسية، بما في ذلك تداخل خط القاعدة الطويل جدًا (VLBI)، وقياس المدى بالليزر عبر الأقمار الصناعية، وملاحظات الموجات الزلزالية العالمية.

## What happened تنطوي الآلية التي تقود التغييرات في طول اليوم على تجاذب ديناميكي في أعماق هيكل الأرض، وفقًا لتغطية أعدها Jorge Garay. ففي مركز الكوكب تقع النواة الداخلية الصلبة، وهي كتلة كروية من الحديد والنيكل تقع على عمق 5,100 كيلومتر تقريبًا تحت السطح. وتحيط بهذه النواة الداخلية طبقة بسمك 2,200 كيلومتر من الحديد والنيكل المنصهر تشكل النواة الخارجية، والتي يحدها من الأعلى الوشاح الصخري السليكاتي الممتد إلى عمق 2,900 كيلومتر تقريبًا. وبما أن النواة الداخلية غير متصلة بالكامل بالوشاح الصلب وتطفو داخل السائل منخفض اللزوجة للنواة الخارجية، فإنها القادرة على الدوران بمعدل يختلف قليلاً عن بقية الكوكب - وهي عملية تُعرف باسم الدوران التفاضلي.

وتسمح هذه الحركة التفاضلية للاقتران الجاذبي بالحدوث. فالوشاح السفلي ليس منتظم الكثافة تمامًا؛ بل يحتوي على عدم تجانس هيكلي واسع النطاق، بما في ذلك مناطق ذات كثافة أعلى مرتبطة بالصفائح التكتونية القديمة الغارقة. وتُمارس هذه الهياكل الوشاحية الكثيفة جذبًا جاذبيًا على الميزات غير الكروية أو غير المتوازنة الكثافة داخل النواة الداخلية الصلبة. ومع دوران النواة الداخلية بالنسبة للوشاح، تخلق قوى الجاذبية المتبادلة هذه عزم استعادة، مما يسحب بفعالية كلاً من النواة الداخلية والوشاح.

وعندما تتسارع النواة الداخلية أو تتباطأ بالنسبة للوشاح، يفرض حفظ الزخم الزاوي الإجمالي على الوشاح والقشرة تعديل سرعة دورانهما في الاتجاه المعاكس. وبما أن البنية التحتية البشرية والتتبع الفلكي مثبتان بالقشرة، فإن أي تغيير في معدل دوران الوشاح يغير مباشرة مدة اليوم. ويخلق هذا التفاعل الجاذبي، الذي يعمل جنبًا إلى جنب مع حركات المائع والمجالات الكهرومغناطيسية داخل النواة الخارجية السائلة، تذبذبات عقدية في طول اليوم تسارع أو تبطئ سرعة دوران الكوكب بشكل دوري بأجزاء من المليثانية.

## Why it matters في حين قد تبدو التباينات المقاسة بالمليثانية ضئيلة في الحياة اليومية، إلا أنها تحمل عواقب وخيمة على البنية التحتية التكنولوجية العالية الدقة، والملاحة الفلكية، ومعايير ضبط الوقت. إذ تُعتمد الاتصالات الرقمية الحديثة، والأسواق المالية المؤتمتة، وشبكات الطاقة، وأنظمة الأقمار الصناعية العالمية للملاحة (GNSS) - مثل نظام GPS في الولايات المتحدة، وGalileo في أوروبا، وGLONASS في روسيا - على دقة التزامن حتى مستوى النانوثانية. وتحسب أنظمة تحديد المواقع عبر الأقمار الصناعية المسافات بناءً على الوقت الذي تستغرقه الإشارات اللاسلكية التي تنتقل بسرعة الضوء للوصول إلى أجهزة الاستقبال الأرضية؛ ويمكن لتغير غير مكتشف في موقع دوران الأرض أن يدخل أخطاء موضعية في تتبع الأقمار الصناعية وتحديد المدارات.

علاوة على ذلك، يعتمد التوقيت المدني على التوقيت العالمي المنسق (UTC)، وهو معيار توقيت ذري تحتفظ به المئات من الساعات الذرية الفائقة الاستقرار في جميع أنحاء العالم. وللحفاظ على محاذاة UTC مع الدوران الفلكي الفعلي للأرض (المعروف بـ UT1)، تقوم سلطات ضبط الوقت الدولية بانتظام بـ "إضافة أو حذف ثوانٍ كبيسة" عندما يقترب الانحراف بين التوقيت الذري وتوقيت الدوران من 0.9 ثانية. وتجعل التقلبات الناتجة عن ديناميكيات أعماق الأرض التنبؤات طويلة الأجل بالدوران أمرًا صعبًا. ويمكن للتحولات غير المتوقعة في سرعة دوران الكوكب أن تفرض تغييرات مفاجئة في جدولة الثواني الكبيسة أو تُعقد الجهود الدولية المستمرة لإصلاح بروتوكولات ضبط الوقت. وفي عام 2022، صوّت المؤتمر العام للأوزان والمقاييس (CGPM) لصالح إلغاء أو تعديل نظام الثواني الكبيسة بحلول عام 2035، وهو انتقال يتطلب نماذج تنبؤية دقيقة لدوران الأرض المتغير لتنفيذه بأمان دون تعطيل شبكات البرمجيات العالمية.

## The background أدرك العلماء منذ قرون أن الأرض لا تدور بمعدل ثابت تمامًا، لكن الآليات الداخلية التي تقود هذه التباينات لم تتضح إلا من خلال الجيوفيزياء الحديثة. وتكشف السجلات طويلة الأجل للخسوف والكسوف الشمسي التي تعود إلى أكثر من ألفي عام أن طول اليوم الشمسي يزداد بنحو 1.7 إلى 2.3 مليثانية في القرن. ويحدث هذا التبطؤ العصراني أساسًا بسبب احتكاك المد والجزر: حيث يُحدث جذب الجاذبية لكل من القمر والشمس مدًا وجزرًا محيطيًا يعمل بمثابة كبح مائعي لدوران الأرض، مما ينقل الزخم الزاوي من الأرض إلى المدار القمري.

ومع ذلك، لا يمكن تفسير التباينات الأقصر أجلاً التي تحدث على مدى سنوات إلى عقود عن طريق تبدد المد والجزر وحده. وفي عام 1936، اكتشفت عالمة الزلازل الدنماركية Inge Lehmann النواة الداخلية الصلبة للأرض عن طريق تحليل الموجات الزلزالية الناتجة عن الزلازل العميقة. وبعد عقود، في عام 1996، قدم عالما الزلازل Xiaodong Song وPaul Richards أدلة رصدية على أن النواة الداخلية تدور بمعدل يختلف عن الوشاح، وذلك من خلال تحليل إشارات الثنائيات الزلزالية التي مرت عبر النواة الداخلية على مدى عدة عقود.

وطور علماء الجيوفيزياء لاحقًا نماذج نظرية لتفسير كيفية تبادل النواة الداخلية والنواة الخارجية والوشاح للزخم. وتم تحديد آليتين رئيسيتين: الاقتران الكهرومغناطيسي، حيث تمارس المجالات المغناطيسية الناتجة عن الدينامو الجيولوجي للنواة الخارجية قوة على النواة الداخلية والوشاح؛ والاقتران الجاذبي، الذي اقترحه علماء جيوفيزياء مثل Bruce Buffett، حيث تقفل قوى الجاذبية بين شذوذ الكثافة في الوشاح وهياكل النواة الداخلية مواقعها في نظام عزم تذبذبي.

ووفر ظهور الساعات الذرية في عام 1955، يليه إنشاء التوقيت الذري الدولي (TAI) في عام 1967، للعلماء ساعة مرجعية غير قابلة للتغيير ومستقلة عن حركة الكوكب. وأكدت مقارنة التوقيت الذري بالملاحظات الفلكية أن الأرض تشهد تقلبات عقدية لعدة مليثانيات، تضاف إلى التغيرات الموسمية التي تقودها الرياح الجوية وإعادة توزيع الكتلة المحيطية.

## Reaction استجاب علماء الجيوفيزياء والجيوديسيا وأخصائيو القياس (المترولوجيا) للبحوث المستمرة في الدوران الداخلي للأرض بالدعوة إلى تعزيز شبكات الرصد العالمية. وتقوم الخدمة الدولية لدوران الأرض وأنظمة المرجعية (IERS)، ومقرها باريس وفرانكفورت، بانتظام بتتبع التغييرات في معايير اتجاه الأرض وتقييم كيفية تأثير الديناميكيات الداخلية العميقة على حسابات طول اليوم.

وفي أوساط المجتمع العلمي، يؤكد الباحثون أن فهم عزوم الدوران الجاذبية للنواة الداخلية أمر أساسي لفصل القوى الكوكبية الداخلية عن الظواهر السطحية، مثل فقدان كتلة الجليد الناجم عن المناخ وارتفاع مستوى سطح البحر، والتي تعيد أيضًا توزيع الكتلة عبر السطح وتغير عزم عطالة الأرض. ويتابع أخصائيو القياس التابعون للمكتب الدولي للأوزان والمقاييس (BIPM) هذه الدراسات الجيوفيزيائية عن كثب، حيث تؤثر التباينات الدورانية غير المتوقعة بشكل مباشر على التخطيط لمعايير المقياس الزمني الذري المستقبلي. وفي الوقت نفسه، تواصل المنظمات التكنولوجية ومزودو البنية التحتية السحابية الدعوة إلى نماذج دوران قابلة للتنبؤ لتجنب الاضطرابات التشغيلية المرتبطة بتعديلات الثواني الكبيسة غير المتوقعة.

## What we don't know yet على الرغم من التقدم الكبير في التصوير المقطعي الزلزالي والجيوديسيا الفضائية، تظل العديد من المعايير الرئيسية المتعلقة بديناميكيات النواة الداخلية للأرض غير مؤكدة. فالحجم الدقيق وتوزيع شذوذ الكتلة داخل الوشاح السفلي والنواة الداخلية ليسا مرسومين بالكامل، مما يترك القوة الدقيقة للاقتران الجاذبي موضع نقاش بين علماء الجيوفيزياء.

بالإضافة إلى ذلك، يواصل العلماء النقاش حول الطبيعة الدقيقة لحركة النواة الداخلية. في حين تشير بعض النماذج إلى دوران تفاضلي متفوق ومستمر، تشير دراسات أخرى إلى أن النواة الداخلية تخضع لتذبذبات متعددة العقود، وتغير سرعة دورانها بالنسبة للوشاح ذهابًا وإيادًا عبر دورات تتراوح تقريبًا بين 60 إلى 70 عامًا. كما يظل التوازن الدقيق بين السحب الكهرومغناطيسي من دينامو النواة الخارجية وقوى الاستعادة الجاذبية من الوشاح غير محسوم. ويتطلب حل هذه الشكوك رصدًا زلزاليًا مستمرًا طويل الأجل وقياسات جيوديسية محسنة على مدى العقود القادمة.

## What to watch تحديد المحطات الرئيسية سيحدد كيفية تأثير الديناميكيات الداخلية للأرض على الأنظمة العالمية في السنوات القادمة: - نشرات القرارات الصادرة عن الخدمة الدولية لدوران الأرض وأنظمة المرجعية (IERS)، والتي تُنشر نصف سنويًا، والتي تعلن عما إذا كانت الثواني الكبيسة ستضاف إلى التوقيت العالمي المنسق أو تطرح منه. - عمليات التنفيذ المؤدية إلى التاريخ المستهدف لعام 2035 الذي حدده المؤتمر العام للأوزان والمقاييس (CGPM) للتوقف عن إدراج الثواني الكبيسة التقليدية لصالح تعديلات تزامن أكبر وأقل تكرارًا. - بيانات رصدية جديدة من شبكات تداخل خط القاعدة الطويل جدًا (VLBI) العالمية ومحطات قياس المدى بالليزر عبر الأقمار الصناعية التي تتتبع التحولات بمستوى الميكروثانية في السرعة الدورانية للأرض. - دراسات الثنائيات الزلزالية وتحليلات التصوير المقطعي لأعماق الأرض المنشورة من قبل فرق البحث الجيوفيزيائي الدولية التي تراقب التحولات الاتجاهية المحتملة أو التغيرات في السرعة في دوران النواة الداخلية.

يستند هذا التقرير إلى تغطية أصلية أعدها Jorge Garay بشأن الديناميكيات الجاذبية بين النواة الداخلية للأرض والوشاح وتأثيرها على معدلات دوران الكوكب.