Мы привыкли считать сутки величиной постоянной — ровно 24 часа. Но Земля вращается не с идеально стабильной скоростью. Продолжительность суток меняется на миллисекунды, и теперь ученые предложили объяснение этих колебаний, связав их с движением и деформацией внутреннего ядра планеты.

Исследование физиков из Университета Альберты, опубликованное 23 сентября в Nature, показывает, что небольшие изменения скорости вращения твердого внутреннего ядра могут создавать гравитационный момент, который влияет на вращение мантии и, следовательно, на продолжительность суток, рассказывает Sciencedaily.

Ядро и мантия обмениваются моментом вращения

Земля состоит не из единого твердого тела, вращающегося как монолит. Ее жидкое внешнее ядро и окружающая его мантия могут вращаться с немного разными скоростями.

Около трех десятилетий ученые знают, что скорость вращения жидкого ядра меняется на протяжении десятилетий. Наблюдения за магнитным полем Земли показывают, что ядро способно постепенно ускоряться в течение нескольких десятилетий, а затем замедляться.

Мантия при этом реагирует в противоположную сторону. Если ядро ускоряется, мантия немного замедляется. Когда ядро замедляется, мантия ускоряется.

Причина — закон сохранения полного момента импульса Земли. Если одна часть планеты получает больше момента вращения, другая должна компенсировать это изменение.

Для продолжительности суток достаточно совсем небольшого изменения скорости вращения мантии: оно способно изменить длину дня на несколько миллисекунд.

Внутри Земли действует гравитационный «тормоз»

До сих пор оставался вопрос: каким именно образом ядро и мантия передают друг другу момент вращения?

Хуифэн Чжан, аспирант-физик Университета Альберты, и профессор Матьё Дюмберри предлагают один из возможных ответов. Согласно их модели, важную роль может играть твердая часть ядра — внутреннее ядро, находящееся в самом центре Земли.

Оно не идеально сферическое. Поэтому его масса распределена неравномерно. Если внутреннее ядро немного меняет скорость вращения или положение, его неоднородности могут гравитационно взаимодействовать с неоднородностями распределения массы в мантии.

Возникающий при этом гравитационный момент способен слегка менять скорость вращения мантии. А вместе с ней меняется и продолжительность суток.

Получается, что изменения земных суток могут быть связаны не только с процессами на поверхности или в жидком ядре, но и с тем, что происходит в самом центре планеты.

На границе ядра и мантии действуют противоположные силы

Гравитационное взаимодействие — не единственный механизм, влияющий на вращение Земли. На границе между ядром и мантией действует другой момент, связанный с трением и электромагнитным взаимодействием.

Он препятствует изменениям вращения и фактически сопротивляется передаче момента между различными слоями планеты.

По мнению исследователей, наблюдаемые колебания продолжительности суток могут возникать из-за постоянно меняющегося баланса между этими механизмами: гравитационным моментом, связанным с внутренним ядром, и моментом на границе ядра и мантии.

Речь идет о крайне небольших изменениях, но современные методы измерения вращения Земли позволяют их обнаруживать.

Внутреннее ядро оказалось более динамичным

Работа также дает представление о том, насколько быстро может меняться самое глубокое внутреннее устройство Земли.

Расчеты Чжана и Дюмберри показывают, что внутреннее ядро способно вязко деформироваться на временном масштабе около десяти лет. Иными словами, хотя оно состоит из твердого материала, на достаточно больших промежутках времени его форма может постепенно изменяться под действием внутренних сил.

Это делает внутреннюю часть Земли гораздо более динамичной, чем можно было бы предположить, просто рассматривая ядро как неподвижный твердый шар.

Изменения продолжительности суток на миллисекунды — лишь внешний след этих процессов. Точное измерение вращения планеты позволяет использовать его как своеобразный датчик, через который ученые пытаются понять, что происходит почти в 6400 километрах под нашими ногами.