Почему в сутках не 24 часа: как ядро Земли меняет продолжительность дня каждые 70 лет

Международная служба вращения Земли ежедневно измеряет продолжительность суток с точностью до долей миллисекунды. Для этого используют сеть радиотелескопов, направленных на далекие квазары, и спутниковую навигацию. Эти измерения показывают, что планета не делает полный оборот вокруг своей оси ровно за 86 400 секунд. Скорость вращения непрерывно меняется.

Некоторые причины такой нестабильности ученым давно понятны. Гравитация Луны вызывает океанские приливы, которые постепенно тормозят вращение планеты. Из-за этого сутки удлиняются примерно на 1,8 миллисекунды за столетие. Ветры, сезонные перемещения воздушных масс и океанические течения вызывают колебания в пределах долей секунды от сезона к сезону.

Однако в данных геодезических наблюдений присутствует еще один выраженный ритм. Это плавные колебания продолжительности дня с периодом от 60 до 70 лет. В ходе такого цикла сутки могут стать длиннее или короче на три-четыре миллисекунды.

На первый взгляд, разница кажется ничтожной. Но чтобы заставить планету массой почти шесть секстиллионов тонн изменить скорость вращения даже на такую величину, требуется колоссальная механическая энергия. Ни атмосфера, ни океаны не обладают достаточной массой для столь длительного воздействия.

Единственное объяснение кроется в перераспределении момента импульса между твердой мантией, на которой мы живем, и глубинными слоями планеты. Закон сохранения момента импульса требует: если мантия замедляет вращение, то внутренняя часть Земли должна ускоряться, и наоборот.

Больше трех десятилетий физики не могли построить расчетную модель, которая объяснила бы, какая именно сила передает вращательное усилие через границы внутренних слоев Земли. В журнале Nature вышло исследование физиков Хуйфэна Чжана и Матье Дюмберри из Университета Альберты в Канаде. Авторы объединили данные о вековых изменениях магнитного поля и результаты сейсмических наблюдений. Их расчеты показали, как именно устроен этот механизм и почему прежние гипотезы заходили в тупик.

Трудности с магнитным полем и рельефом недр

Строение земных недр разделяется на три основные части, участвующие во вращении:

1. Мантия — силикатная твердая оболочка толщиной около 2900 километров. На нее приходится большая часть массы планеты.
2. Внешнее ядро — слой жидкого железа и никеля толщиной около 2200 километров. Жидкий металл непрерывно перемешивается, и эти течения создают магнитное поле Земли.
3. Внутреннее ядро — твердый шар из железа и никеля радиусом около 1220 километров, расположенный в самом центре планеты.

Долгое время считалось, что мантия обменивается моментом вращения исключительно с жидким внешним ядром. Граница между ними находится на глубине 2900 километров. Передавать вращательное усилие через эту границу могли две силы.

Первая сила — электромагнитная. Жидкое ядро проводит электрический ток и создает магнитное поле. Если нижний слой мантии также проводит электричество, то силовые линии магнитного поля при движении жидкости должны создавать силу, которая увлекает мантию вслед за потоками железа.

Вторая сила — топографическая. Поверхность раздела между ядром и мантией не плоская. На ней существуют возвышенности и впадины высотой до нескольких сотен метров и протяженностью в тысячи километров. Когда горизонтальные потоки жидкого металла натекают на эти неровности, возникает разница давлений, которая физически толкает склоны возвышенностей.

Чжан и Дюмберри проверили обе гипотезы с помощью цифровых моделей течений в жидком ядре. Направление и скорость этих потоков можно рассчитать по тому, как меняется магнитное поле Земли у поверхности.

Расчет показал неожиданный результат. И электромагнитная, и топографическая силы действительно способны передавать нужный объем энергии. Однако они действуют не вовремя.

На протяжении последних пятидесяти лет рассчитанный крутящий момент от этих сил находился в противофазе с реальным движением Земли. В те периоды, когда сутки фактически укорачивались, суммарное действие магнитных сил и давления жидкости должно было их удлинять. Эти силы не разгоняли мантию, а тормозили ее. Следовательно, они не могли быть главной причиной колебаний.

Гравитационная связь твердого ядра

Чтобы объяснить реальные данные, исследователям потребовалось учесть третий компонент системы — твердое внутреннее ядро.

Мантия Земли неоднородна по своему составу и температуре. В ее нижней части находятся крупные области повышенной плотности. Эти скопления массы создают неравномерное гравитационное поле.

Внутреннее ядро находится под постоянным воздействием этой гравитации. Из-за неоднородного притяжения мантии форма твердого ядра отклоняется от правильного шара: вдоль экватора оно слегка вытянуто. Перепад высот между длинной и короткой экваториальными осями ядра составляет от 11 до 29 метров.

В спокойном состоянии длинная ось твердого ядра ориентирована строго вдоль зон повышенной плотности в мантии. В таком положении гравитационные силы уравновешены.

Однако внутреннее ядро не закреплено неподвижно. Потоки окружающего его жидкого металла воздействуют на него магнитными силами и заставляют вращаться с небольшой разницей в скорости относительно мантии.

Когда твердое ядро поворачивается хотя бы на один градус, его вытянутая часть уходит из зоны равновесия. Гравитация мантии начинает притягивать эту возвышенность обратно. Возникает взаимное притяжение: мантия стремится вернуть внутреннее ядро в исходную точку, а ядро с точно такой же силой тянет за собой мантию.

Возникает гравитационный крутящий момент, который действует сквозь разделяющий их слой жидкого железа.

Почему твердое железо меняет форму

Недавние сейсмологические наблюдения подтвердили, что твердое ядро действительно колеблется. Анализируя повторные сейсмические волны от землетрясений, ученые выяснили: с 1970-х годов внутреннее ядро вращалось немного быстрее мантии, затем замедлилось и примерно в 2010 году изменило относительное направление вращения на противоположное.

Если бы внутреннее ядро представляло собой недеформируемый твердый шар, то максимальный гравитационный момент пришелся бы на момент наибольшего угла поворота — то есть на 2010 год. Но исторические данные показывают, что скорость вращения мантии достигла пика на десять лет раньше — около 2000 года.

Авторы статьи разрешили это противоречие, обратившись к физике твердых тел при экстремальных параметрах.

В центре Земли давление превышает 3,3 миллиона атмосфер, а температура достигает 6000 градусов Цельсия. В этих условиях железо остается твердым кристаллическим веществом, но приобретает пластичность. Под постоянной механической нагрузкой оно способно медленно деформироваться, меняя геометрическую форму без разрушения кристаллической структуры.

Когда внутреннее ядро поворачивается, его выступы не остаются застывшими. Под воздействием гравитации мантии вещество ядра начинает медленно перетекать в твердой фазе, стремясь сгладить смещение и заново выстроиться вдоль линий гравитационного притяжения.

Расчеты показали:

• Время, необходимое внутреннему ядру для перестройки формы, составляет от 6 до 10 лет.
• Из-за этой задержки угол гравитационного рассогласования не совпадает с углом фактического поворота ядра.
• Выступ на поверхности ядра успевает частично осесть и сдвинуться в сторону равновесия еще до того, как само ядро завершит свой поворот.

Именно процесс вязкой деформации сместил точку максимальной силы с 2010 года на 2000 год. Теоретическая модель точно совпала с изменениями продолжительности земных суток на всем интервале качественных измерений с 1964 по 2019 год.

Механизм семидесятилетнего цикла

Полная динамическая картина многодесятилетних изменений суток строится на одновременной работе всех трех сил:

1. Гравитационный момент внутреннего ядра выступает в роли ведущей движущей силы. Именно он придает ускорение или замедление мантии.
2. Электромагнитные и топографические силы на границе ядра и мантии действуют в обратную сторону. Они работают как сопротивление, не позволяя мантии раскручиваться слишком сильно.

Периодичность этого взаимодействия задают крупномасштабные течения в жидком внешнем ядре. Пространство жидкого ядра разделено геометрически: существует зона, расположенная строго над и под твердым ядром параллельно оси вращения Земли, и зона за ее пределами.

С 1950 по середину 1980-х годов потоки жидкого металла во внутренней цилиндрической зоне двигались преимущественно в западном направлении. Они увлекали за собой твердое ядро, поворачивая его на запад относительно мантии.

Гравитационное взаимодействие ядра с мантией создавало западный крутящий момент, замедляя вращение внешней оболочки Земли. Сутки в этот период становились длиннее. Одновременно потоки жидкости во внешней зоне двигались на восток, создавая сопротивление на нижней границе мантии.

В середине 1980-х годов структура течений в жидком ядре изменилась. Направление потоков сменилось на обратное на последующие 35 лет. Внутреннее ядро начало испытывать воздействие в восточном направлении, что изменило знак гравитационного момента. Мантия стала ускоряться, а продолжительность суток — сокращаться.

Новые факты о ненаблюдаемых слоях Земли

Поскольку величина гравитационного и тормозящего моментов напрямую зависит от свойств вещества на экстремальных глубинах, расчеты Чжана и Дюмберри позволили определить характеристики слоев, недоступных для прямого изучения.

Нейтральная плотность крупных мантийных массивов

На дне мантии находятся две гигантские структуры, где сейсмические волны резко замедляют свой ход: одна расположена под Тихим океаном, вторая — под Африкой. Долгое время оставалось неясным, тонут ли эти области из-за более тяжелого химического состава или поднимаются вверх из-за высокой температуры.

Полученное в исследовании значение гравитационного коэффициента связи оказалось умеренным. Это доказывает: данные структуры обладают практически нейтральной плавучестью. Они содержат больше тяжелых элементов, чем окружающая мантия, но этот избыток массы точно скомпенсирован термическим расширением из-за их высокой температуры.

Низкая вязкость переходной минеральной фазы

В основании мантии силикатные минералы под действием давления переходят в модификацию, называемую постперовскитом. Чтобы гравитационный рельеф на границе ядра соответствовал вычисленным значениям, вязкость постперовскита должна быть в сотни раз ниже вязкости вышележащих слоев мантии. Это подтверждает теоретические расчеты физики минералов: слой постперовскита способен легко деформироваться под действием течений.

Проводящий слой толщиной в два километра

Сила электромагнитного сопротивления ограничивает допустимую электропроводность подошвы мантии величиной около 10⁸ Сименс. Такой показатель исключает наличие толстых проводящих зон. Он подтверждает присутствие тонкого слоя толщиной не более двух километров, сильно обогащенного оксидами железа.

Непрерывное смещение твердого ядра

Помимо 70-летних колебаний, в поведении ядра существует постоянная долговременная составляющая. Анализ древнего магнитного поля в горных породах показывает, что в течение последних 9000 лет общее течение жидкого ядра смещается на запад со средней скоростью около 0,09 градуса в год.

Это постоянное движение создает стабильное тормозящее усилие на мантию. Чтобы компенсировать его, твердое внутреннее ядро должно иметь постоянный наклон: его длинная ось устойчиво повернута на восток на 1,19 градуса относительно плотностных аномалий мантии.

Чтобы поддерживать этот угол и не тормозиться, твердое ядро непрерывно совершает медленный устойчивый поворот на восток со скоростью 0,12 градуса в год. Это означает, что за последние девять тысяч лет твердый центр планеты совершил почти три полных оборота относительно земной коры.

Время как инструмент геофизики

Многодесятилетние колебания продолжительности дня долгое время оставались сугубо метрологической проблемой, требующей регулярной коррекции атомных стандартов времени и систем спутниковой навигации.

Исследование Чжана и Дюмберри переводит эти миллисекундные сдвиги в категорию геофизического инструмента. Неравномерность вращения планеты оказалась прямым механическим выражением физических процессов, происходящих на глубине тысяч километров.

Изменения длительности суток позволяют измерять вязкость кристаллов железа при температурах в тысячи градусов, определять толщину обогащенных металлом пограничных слоев на дне мантии и фиксировать смену глобальных направлений в циркуляции жидкого ядра. Земля работает как единая динамическая система, где гравитационное взаимодействие твердого центра и мантии определяет скорость вращения всей планеты.

Источник: Nature