09.04.2022 00:05 | Źródło: naukawpolsce.pap.pl

Spłaszczająca się Ziemia, za krótka doba i inne powody, by badać ewolucję pola grawitacyjnego planety

Ziemia staje się coraz bardziej spłaszczona, a wiruje tak szybko, że doba staje się coraz krótsza. Czy anomalie w ruchu sztucznych satelitów pomogą lepiej zrozumieć zmiany zachodzące w oceanach, lodowcach, atmosferze, skorupie ziemskiej oraz pod powierzchnią Ziemi?

Wyjaśnia to prof. Krzysztof Sośnica, badający ewolucję pola grawitacyjnego Ziemi w wartym ponad dwa miliony złotych projekcie EAGLE.

ZIEMIA CORAZ BARDZIEJ SPŁASZCZONA

Kształt Ziemi nieustannie się zmienia – wyjaśnia PAP prof. Krzysztof Sośnica z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu. Również pole grawitacyjne Ziemi ulega ciągłym zmianom za sprawą sił działających na naszą planetę.

Jak tłumaczy naukowiec, Ziemia stawała się stopniowo coraz bardziej kulista (mniej spłaszczona) do roku 1997 - ze względu na wypiętrzanie się Skandynawii oraz rozległych obszarów w Kanadzie po ostatnim zlodowaceniu. Proces ten został zatrzymany przez topniejące lodowce na Grenlandii i Antarktydzie.

„Od początku XXI w. obserwujemy odwrotną tendencję – Ziemia stacje się coraz bardziej spłaszczona, gdyż lodowce na biegunach topnieją i zasilają swoimi wodami oceany, które podnoszą swój poziom w okolicach równika. Zmiany kształtu Ziemi powodują ciągłe zmiany w polu grawitacyjnym, w spłaszczeniu, przemieszczanie się środka planety (tzw. geocentrum). Wpływają na zmiany w ruchu obrotowym oraz na satelity orbitujące wokół Ziemi” – wylicza prof. Sośnica.

W ramach zwycięskiego projektu konkursu SONATA BIS 11, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki, prof. Krzysztof Sośnica wraz z zespołem dokładnie zbada ewolucję ziemskiego pola grawitacyjnego.

ZMIANY POLA GRAWITACYJNEGO ZIEMI

Skorupa ziemska podnosi się i opada nawet o kilkadziesiąt centymetrów w ciągu jednej doby za sprawą oddziaływania grawitacyjnego Księżyca i Słońca. Podobne zmiany do skorupy ziemskiej badacze obserwują w postaci przypływów i odpływów w morzach i oceanach.

Prof. Sośnica przyznaje, że zmiany związane z oddziaływaniem grawitacyjnym Słońca i Księżyca i ich wpływ na pole grawitacyjne Ziemi zostały już bardzo dobrze zbadane. Dlatego w projekcie naukowym EAGLE badacze skupią się na zbadaniu zmienności pola grawitacyjnego Ziemi związanego głównie z hydrologią lądową i atmosferą.

Pole grawitacyjne Ziemi związane jest z procesami zachodzącymi w wodach gruntowych, skorupie ziemskiej, oceanach i lodowcach. Na przestrzeni ostatnich 40 lat różne misje satelitarne zostały wykorzystane do badań np. zmienności pokrywy lodowej na Grenlandii i Antarktydzie. Jednakże większość misji opiera się na obserwacjach powierzchniowych, czyli takich, które mierzą odległość między satelitą a powierzchnią lodu czy też wody.

„W tym projekcie wykorzystamy zmiany pola grawitacyjnego, które pozwalają zajrzeć znacznie głębiej. Jeżeli wody gruntowe na jakimś obszarze odpływają, to nie obserwujemy żadnych zmian na powierzchni Ziemi, natomiast pomiar pola grawitacyjnego już wskaże nam, że coś się dzieje na danym obszarze. Tym samym misje grawitacyjne widzą znacznie więcej niż satelity obserwujące zmiany na powierzchni Ziemi” – tłumaczy szef projektu.

ANOMALIE W RUCHU SZTUCZNYCH SATELITÓW

Naukowcy będą obserwować anomalie w ruchu sztucznych satelitów. Wykorzystają pomiary GPS zebrane przez satelity orbitujące wokół Ziemi i laserowe pomiary odległości wykonane ze stacji naziemnych do satelitów, żeby wyznaczyć ich położenie. Z anomalii w ruchu sztucznych satelitów wyznaczą, jak zmieniało się pole grawitacyjne Ziemi.

„Z ruchu satelitów można również wyczytać, gdzie znajduje się środek Ziemi i jak się przemieszcza, gdyż satelity naturalnie obiegają środek masy całej planety. Na podstawie odchyleń w ruchu satelitów można wyznaczyć kształt Ziemi oraz zmiany jej spłaszczenia” – dodaje prof. Sośnica.

Współrzędne geocentrum, czyli środka masy Ziemi oraz wartości spłaszczenia Ziemi będą wyznaczone z wielu źródeł, które opierają się na różnych danych oraz technikach satelitarnych i naziemnych. Różne źródła danych – satelitarne, geofizyczne oraz geodezyjne – zostaną zintegrowane z wykorzystaniem algorytmów uczenia maszynowego oraz sztucznej inteligencji. Zostanie zbadany wpływ ziemskiej grawitacji na zmienność długości doby oraz przemieszczanie się bieguna Ziemi oraz to jak zmiany pola grawitacyjnego wpływają na ruch sztucznych satelitów oraz pozycje stacji GPS na powierzchni Ziemi.

ZMIANA DŁUGOŚCI DOBY

Dzięki obserwacjom zmieniającego się pola grawitacyjnego Ziemi, można opisać przemieszczanie się mas w systemie ziemskim, w tym zmiany w wodach lądowych, pokrywie lodowej, oceanach i atmosferze. Obserwacje te dostarczają niezbędnych informacji na temat globalnego obiegu wody, zmian w prądach powierzchniowych oceanów, utraty masy lodowców, podnoszenia się poziomu morza, przemieszczeń obciążenia powierzchniowego, a także wielu innych procesów środowiskowych.

Badania pozwolą ekspertom powiązać zmiany w polu grawitacyjnym zachodzące w systemie ziemskim z obrotem całej planety. Zmiany w grawitacji, czyli w kształcie Ziemi, wpływają na to, jak obraca się planeta.

„Porównując czas rejestrowany przez zegary atomowe z obserwacjami ruchu obrotowego Ziemi odkryliśmy, że w 2020 r. Ziemia obracała się najszybciej od momentu rozpoczęcia pomiarów. 19 lipca 2020 r. pełen obrót Ziemi wokół własnej osi trwał o średnio o 1466 μs krócej niż 24 h (1000 μs = 50 cm na równiku)” – podaje naukowiec.

„Ziemia od czasu wynalezienia zegarów atomowych nie wirowała aż tak szybko. Zazwyczaj obracała się nieco wolniej niż pełne 24 godziny, więc w przeszłości wprowadzano tzw. sekundy przestępne, żeby czas atomowy zgadzał się z ruchem obrotowym planety” - dodaje.

Ostatnio Ziemia zaczęła się obracać znacznie szybciej, co – jak podkreśla profesor, wymaga naukowego wyjaśnienia. Zmiany w ruchu obrotowym Ziemi wynikają bezpośrednio z rozkładu mas w systemie ziemskim, czyli od tego, jak zmienia się pole grawitacyjne oraz jakie procesy zachodzą w atmosferze, oceanach i wewnątrz Ziemi.

Projekt ma za zadanie wyjaśnić przyczyny anomalii, które obserwujemy w ruchu obrotowym Ziemi oraz powiązać je ze zmianami, które zachodzą w oceanach, lodowcach, atmosferze, skorupie ziemskiej oraz pod powierzchnią Ziemi. Dzięki przeliczeniu danych satelitarnych z ostatnich 40 lat dowiemy się znacznie więcej o zmianach klimatu oraz o ich przyczynach i powiązaniu różnych procesów zachodzących na, nad oraz pod powierzchnią lądów.

W projekcie wyznaczone zostaną takie wielkości jak stała grawitacji – czyli fundamentalny parametr niezbędny nie tylko w badaniach geodezyjnych, ale również w fizyce i astronomii. Sprawdzony zostanie ruch środka Ziemi wraz z ocenami i atmosferą. Środek Ziemi wykonuje niewielkie, kilkumilimetrowe ruchy za sprawą zjawisk zachodzących we wnętrzu, a przede wszystkim na powierzchni Ziemi. Figura Ziemi jest spłaszczona ze względu na ruch wirowy planety. Jednak spłaszczenie Ziemi nie jest stałe w czasie. Projekt ma za zadanie odpowiedzieć na pytanie jak zmieniało się spłaszczenie Ziemi za sprawą topniejących lodowców na Grenlandii i Antarktydzie w ciągu ostatnich 40 lat.