Гравитационное взаимодействие в глубоких недрах Земли меняет скорость вращения планеты

Сложное гравитационное взаимодействие между твердым внутренним ядром Земли и вышележащей мантией изменяет скорость вращения планеты, вызывая незначительные изменения точной продолжительности солнечного дня, согласно материалу Jorge Garay. Это явление связано с физической динамикой в глубоких недрах Земли, где гравитационные силы, действующие со стороны плотных областей силикатной мантии, притягивают твердое металлическое внутреннее ядро. Это гравитационное взаимодействие действует наряду с электромагнитными вращательными моментами, создаваемыми жидким внешним ядром, обеспечивая непрерывный обмен моментом импульса между недрами планеты и ее поверхностными слоями. В результате время, необходимое Земле для совершения одного полного оборота вокруг своей оси, колеблется на небольшие доли миллисекунды на протяжении многодекадных циклов, что напрямую влияет на измерения вращения планеты и сверхточные системы глобальной синхронизации.

## Основные факты - Гравитационные силы между твердым внутренним ядром и нижней мантией Земли действуют наряду с динамикой внешнего ядра, изменяя скорость вращения планеты. - Колебания внутреннего вращения Земли приводят к тому, что продолжительность солнечного дня меняется на величину от микросекунд до миллисекунд в течение многодекадных периодов. - Твердое внутреннее ядро, состоящее в основном из железо-никелевого сплава и имеющее радиус около 1 220 километров, взвешено внутри жидкого внешнего ядра толщиной около 2 200 километров. - Современный глобальный хронометраж сопоставляет всемирное координированное время (UTC), обеспечиваемое высокоточными атомными часами, с астрономическим временем (UT1), отражающим физическую скорость вращения Земли. - Точный мониторинг продолжительности дня опирается на геодезические измерения, включая радиоинтерферометрию со сверхдлинными базами (VLBI), спутниковую лазерную дальнометрию и наблюдения за глобальными сейсмическими волнами.

## Что произошло Механизм, вызывающий изменения продолжительности дня, представляет собой динамическое «перетягивание каната» глубоко в структуре Земли, согласно материалу Jorge Garay. В центре планеты находится твердое внутреннее ядро — сферическая масса железа и никеля, расположенная примерно в 5 100 километрах под поверхностью. Это внутреннее ядро окружает слой расплавленного железа и никеля толщиной 2 200 километров, образующий внешнее ядро, которое сверху ограничено силикатной мантией, простирающейся до глубины около 2 900 километров. Поскольку внутреннее ядро никак не прикреплено к твердой мантии и плавает в жидкости с низкой вязкостью внешнего ядра, оно способно вращаться со скоростью, немного отличающейся от скорости остальной части планеты, — этот процесс известен как дифференциальное вращение.

Это дифференциальное движение позволяет вступить в силу гравитационному взаимодействию. Нижняя мантия не совсем однородна по плотности; она содержит крупномасштабные структурные неоднородности, включая области более высокой плотности, связанные с древними субдуцированными тектоническими плитами. Эти плотные структуры мантии оказывают гравитационное притяжение на несферические или не сбалансированные по плотности элементы внутри твердого внутреннего ядра. По мере того как внутреннее ядро вращается относительно мантии, эти взаимные гравитационные силы создают восстанавливающий вращательный момент, который воздействует как на внутреннее ядро, так и на мантию.

Когда внутреннее ядро ускоряется или замедляется относительно мантии, закон сохранения полного момента импульса заставляет мантию и кору изменять скорость своего вращения в противоположную сторону. Поскольку человеческая инфраструктура и астрономические наблюдения привязаны к земной коре, любое изменение скорости вращения мантии напрямую меняет продолжительность суток. Это гравитационное взаимодействие, действующее в сочетании с движениями жидкости и электромагнитными полями в жидком внешнем ядре, создает десятилетние колебания продолжительности дня, которые периодически ускоряют или замедляют вращение планеты на доли миллисекунды.

## Почему это важно Хотя изменения, измеряемые в миллисекундах, могут показаться незначительными в повседневной жизни, они имеют серьезные последствия для высокоточной технологической инфраструктуры, астрономической навигации и стандартов хронометража. Современные цифровые коммуникации, автоматизированные финансовые рынки, энергосети и глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS), такие как американская GPS, европейская Galileo и российская GLONASS, полагаются на точность синхронизации вплоть до наносекунд. Спутниковые системы позиционирования рассчитывают расстояния на основе времени, необходимого радиосигналам, распространяющимся со скоростью света, для достижения наземных приемников; невыявленное смещение вращательного положения Земли может привести к погрешностям позиционирования при отслеживании спутников и определении их орбит.

Кроме того, гражданский хронометраж опирается на всемирное координированное время (UTC) — атомный стандарт времени, поддерживаемый сотнями ультрастабильных атомных часов по всему миру. Чтобы удерживать UTC в соответствии с фактическим астрономическим вращением Земли (известным как UT1), международные службы хронометража периодически вводят или отменяют «високосные секунды», когда расхождение между атомным и вращательным временем приближается к 0,9 секунды. Колебания, вызванные динамикой глубоких недр Земли, затрудняют долгосрочные прогнозы вращения. Неожиданные сдвиги скорости вращения планеты могут привести к внезапным изменениям в графике ввода високосных секунд или усложнить текущие международные усилия по реформированию протоколов хронометража. В 2022 году Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) проголосовала за отмену или корректировку системы високосных секунд к 2035 году — переход, требующий точных прогностических моделей переменного вращения Земли для безопасного внедрения без сбоев в глобальных программных сетях.

## Предыстория Ученые уже много веков знают, что Земля вращается не с абсолютно постоянной скоростью, однако внутренние механизмы, вызывающие эти колебания, стали понятны только благодаря современной геофизике. Многовековые записи солнечных затмений, охватывающие более двух тысячелетий, показывают, что продолжительность солнечного дня увеличивается примерно на 1,7–2,3 миллисекунды в столетие. Это вековое замедление вызвано в основном приливным трением: гравитационное притяжение Луны и Солнца создает океанские приливы, которые действуют как гидродинамический тормоз вращения Земли, передавая момент импульса от Земли к лунной орбите.

Однако более краткосрочные колебания, происходящие на протяжении от нескольких лет до десятилетий, не могут быть объяснены только приливным рассеянием. В 1936 году датский сейсмолог Inge Lehmann открыла твердое внутреннее ядро Земли, проанализировав сейсмические волны, вызванные глубокими землетрясениями. Десятилетия спустя, в 1996 году, сейсмологи Xiaodong Song и Paul Richards представили наблюдательные доказательства того, что внутреннее ядро вращается с иной скоростью, чем мантия, проанализировав сигналы сейсмических дублетов, проходивших через внутреннее ядро в течение нескольких десятилетий.

Впоследствии геофизики разработали теоретические модели, объясняющие, как внутреннее ядро, внешнее ядро и мантия обмениваются моментом импульса. Были определены два основных механизма: электромагнитное взаимодействие, при котором магнитные поля, создаваемые геодинамо внешнего ядра, оказывают воздействие на внутреннее ядро и мантию; и гравитационное взаимодействие, предложенное геофизиками, такими как Bruce Buffett, при котором гравитационные силы между плотными аномалиями мантии и структурами внутреннего ядра связывают их положения в систему осциллирующего вращательного момента.

Появление атомных часов в 1955 году и последующее введение Международного атомного времени (TAI) в 1967 году предоставили ученым неизменный эталон времени, независимый от движения планеты. Сравнение атомного времени с астрономическими наблюдениями подтвердило, что Земля испытывает десятилетние колебания в несколько миллисекунд, накладывающиеся на сезонные сдвиги, вызванные атмосферными ветрами и перераспределением океанических масс.

## Реакция Геофизики, геодезисты и метрологи отреагировали на продолжающиеся исследования внутреннего вращения Земли призывами к расширению глобальных сетей мониторинга. Международная служба вращения Земли и систем координат (IERS), расположенная в Париже и Франкфурте, регулярно отслеживает изменения параметров ориентации Земли и оценивает, как динамика глубоких недр влияет на расчеты продолжительности дня.

В научном сообществе исследователи подчеркивают, что понимание гравитационных вращательных моментов внутреннего ядра необходимо для отделения внутренних планетарных сил от поверхностных явлений, таких как вызванная климатом потеря массы льда и повышение уровня моря, которые также перераспределяют массу по поверхности и изменяют момент инерции Земли. Метрологи, связанные с Международным бюро мер и весов (BIPM), внимательно следят за этими геофизическими исследованиями, поскольку непредвиденные колебания вращения напрямую влияют на планирование будущих стандартов шкалы атомного времени. Тем временем технологические организации и провайдеры облачной инфраструктуры продолжают выступать за предсказуемые модели вращения, чтобы избежать сбоев в работе, связанных с неожиданной корректировкой високосных секунд.

## Что пока неизвестно Несмотря на значительный прогресс в сейсмической томографии и спутниковой геодезии, неопределенными остаются несколько ключевых параметров динамики внутреннего ядра Земли. Точная величина и распределение аномалий массы в нижней мантии и внутреннем ядре картографированы не полностью, из-за чего точная сила гравитационного взаимодействия остается предметом дискуссий среди геофизиков.

Кроме того, ученые продолжают спорить о точной природе движения внутреннего ядра. Хотя некоторые модели предполагают непрерывное дифференциальное супервращение, другие исследования указывают на то, что внутреннее ядро совершает многодекадные колебания, меняя свою скорость вращения относительно мантии с циклом примерно в 60–70 лет. Точный баланс между электромагнитным сопротивлением динамо внешнего ядра и гравитационными восстанавливающими силами мантии также остается нерешенным вопросом. Разрешение этих неопределенностей требует непрерывного долгосрочного сейсмического мониторинга и усовершенствованных геодезических измерений в ближайшие десятилетия.

## За чем следить - Информационные бюллетени решений, издаваемые Международной службой вращения Земли и систем координат (IERS) раз в полгода, в которых объявляется о добавлении или вычитании високосных секунд из всемирного координированного времени. - Шаги по реализации решений вплоть до 2035 года, установленного Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM) в качестве целевого срока для прекращения традиционного ввода високосных секунд в пользу более крупных и менее частых корректировок синхронизации. - Новые данные наблюдений от глобальных сетей радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (VLBI) и станций спутниковой лазерной дальнометрии, отслеживающих сдвиги скорости вращения Земли на микросекундном уровне. - Исследования сейсмических дублетов и томографический анализ глубоких недр Земли, публикуемые международными геофизическими исследовательскими группами, отслеживающими возможные изменения направления или скорости вращения внутреннего ядра.

Этот материал основан на оригинальном репортаже Jorge Garay о гравитационной динамике между внутренним ядром и мантией Земли и ее влиянии на скорость вращения планеты.