Центр масс Земли не остаётся неподвижным. По мере сезонного перемещения воды, льда и воздуха по планете их вес перераспределяется настолько, что центр масс смещается относительно геометрического центра Земли на доли сантиметра.

Учёные NASA тщательно отслеживают это движение, поскольку центр масс служит важнейшей точкой отсчёта для спутниковой навигации и измерений высоты поверхности.

Исследователи под руководством Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) в Южной Калифорнии разработали метод, позволяющий измерять эти сезонные смещения с исключительной точностью. Результаты опубликованы в Geophysical Journal International.

Работа показывает, как крупные сезонные изменения — таяние снега, перемещение океанской воды и плотный зимний воздух — перераспределяют огромные массы по поверхности Земли.

Центр Земли постоянно движется

Учёные десятилетиями разрабатывают методы определения центра масс Земли с помощью космических наблюдений. Сложность в том, что этот центр не остаётся в одной фиксированной точке.

Если бы Земля была полностью твёрдым шаром, её центр масс совпадал бы с геометрическим центром. Однако планета реагирует на перемещение веса воды, льда и атмосферы. Когда эти массы движутся, центр масс описывает круги вокруг геометрического центра с амплитудой до нескольких миллиметров.

Определить точный размер этого смещения оказалось непросто. Две последние международные оценки 2017 и 2023 годов различаются на 7 мм — примерно как высота трёх монет, сложенных вместе. Это расхождение почти равно величине самого измеряемого движения.

Чтобы уменьшить неопределённость, геофизик JPL Дональд Аргус возглавил разработку нового подхода, опирающегося на сверхточное спутниковое слежение.

Гравитация заставляет спутники обращаться вокруг центра масс Земли. Когда этот центр смещается, учёные могут уловить мельчайшие изменения расстояний между спутниками и наземными станциями слежения.

Спутники помогают определить центр Земли

Учёные давно используют спутники для определения положения центра масс. Два плотных металлических спутника, запущенные в 1976 и 1992 годах, были созданы специально для этой цели.

Лазерные геодинамические спутники (LAGEOS 1 и 2) напоминают зеркальные дискотечные шары весом 408 кг, покрытые отражающими призмами. Наземные станции более чем в 20 странах направляют на них лазеры и точно измеряют отражённые сигналы.

Одна из проблем метода — неравномерное распределение лазерных станций по земному шару.

Новый подход решает эту проблему двумя способами. Исследователи объединяют лазерные измерения с GPS-слежением и орбитальными данными нескольких спутников на низкой околоземной орбите, получая более широкий набор объектов для наблюдения. Они также учитывают, как меняющийся вес воды и льда прогибает земную кору, из-за чего сами наземные станции слегка смещаются.

Аргус разработал методику совместно с учёными из команды определения спутниковых орбит JPL, Университета Невады, Университета Монтаны и Центра геонаук имени Гельмгольца в Германии.

«Теперь мы оцениваем величину смещения центра масс Земли туда-обратно каждый год примерно вдвое меньше, чем считали восемь лет назад, — сказал Аргус. — Наши результаты говорят о том, что масса воды и воздуха Земли, перемещающаяся между полушариями, меньше, чем предполагалось ранее».

Хотя расстояния крошечные, их значение выходит далеко за пределы лаборатории.

Феликс Ландерер, один из соавторов исследования в JPL, отметил: «Хотя эти движения могут казаться крошечными, наш современный мир зависит от исключительно точных измерений положения. Разбираясь в механизмах, меняющих системы отсчёта, мы можем строить более совершенные системы, которые в итоге приносят пользу картографии и навигации — от глобальной логистики до точного земледелия».

Снег, дожди и океаны смещают баланс Земли

Исследователи проследили сезонное движение центра масс Земли и выделили три основных источника: океаны, атмосферу и континентальные воды (ледники, снег, воды озёр и рек, влага почвы и подземные воды).

Эффекты меняются в течение года, поскольку вода и воздух накапливаются в разных частях планеты.

Снег в Северной Америке и Евразии достигает максимума в марте. Эта дополнительная масса смещает центр масс примерно на 3 мм к Северному полюсу.

В апреле бассейн Амазонки достигает сезонного максимума дождевой воды — около 2400 гигатонн. Эта огромная концентрация воды притягивает центр масс на 2,2 мм в сторону Южной Америки.

Ещё один вклад приходит позже. Муссонные воды Юго-Восточной Азии достигают пика в 600 гигатонн в ноябре — через шесть месяцев после максимума Амазонки — и добавляют меньшую величину к годовому смещению.

Тихий океан оказывает непропорционально большое влияние

Океанская вода также играет важную роль в сезонном сдвиге.

С августа по октябрь талая вода и дожди добавляют массу океанам, толкая центр масс Земли в сторону южной части Тихого океана.

Поскольку Тихий океан столь огромен, изменения его массы могут перевешивать прирост или убыль в других океанических бассейнах. Тем не менее сезонные изменения в Средиземном, Красном, Северном, Балтийском и Баренцевом морях вносят меньший вклад в движение центра.

Атмосфера добавляет ещё один слой к циклу.

Исследователи использовали модель Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды, чтобы оценить, как сезонные атмосферные изменения влияют на центр масс. Анализ показал, что холодный и плотный зимний воздух смещает баланс в сторону Аравии, Азии и Северной Африки примерно 21 декабря каждого года. Около 21 июня соответствующий эффект наблюдается над Южной Америкой и Южной Африкой.

Спутники GRACE подтверждают изменения массы

Оценки массы, полученные в новом анализе, согласуются с наблюдениями миссии GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On).

Запущенная в 2018 году, GRACE-FO состоит из двух спутников, измеряющих ежемесячные изменения гравитационного поля Земли. Значительная часть этих изменений гравитации вызвана перемещением воды над и под поверхностью планеты.

Спутники летят вместе в исключительно точной формации. Когда ведущий аппарат проходит над областью с избыточной массой, например над переполненным водой речным бассейном, более сильное притяжение меняет расстояние между спутниками на крошечную, но обнаружимую величину.

GRACE-FO — совместный проект NASA и Немецкого исследовательского центра геонаук (GFZ).

Учёные уже готовят следующее поколение измерений. Миссия GRACE-Continuity (GRACE-C) нацелена на запуск в конце 2028 года и должна продолжить почти 25-летнюю серию наблюдений GRACE за перемещением воды и массы вокруг Земли.

Источники:

sciencedaily.com

Материалы предоставлены NASA. Оригинальный текст — Салли Янгер.

Donald F Argus, Kevin M Gaastra, Bruce J Haines, Michael B Heflin, Felix W Landerer, Athina Peidou, David N Wiese, Geoff Blewitt, Corné Kreemer, Henryk Dobslaw, Matthew J Swarr. Estimation and cause of the seasonal oscillation between Earth’s centre of mass and centre of figure. Geophysical Journal International, ноябрь 2026 DOI: 10.1093/gji/ggag314