Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Η διάρκεια της ημέρας στη Γη δεν είναι σταθερή, αλλά αλλάζει αθόρυβα κατά μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου κάθε λίγες δεκαετίες. Οι επιστήμονες αναζητούσαν τον μηχανισμό πίσω από αυτές τις μεταβολές.
- Νέα μελέτη στο Nature αποκαλύπτει ότι ο στερεός εσωτερικός πυρήνας της Γης παίζει απρόσμενο ρόλο, καθώς η μεταβαλλόμενη περιστροφή του δημιουργεί μια βαρυτική δύναμη που μεταβάλλει την περιστροφή του πλανήτη σε έναν κύκλο 70 ετών.
- Τα ευρήματα μετατρέπουν τη μεταβαλλόμενη διάρκεια της ημέρας σε ένα μέσο εξερεύνησης των άγνωστων περιοχών του εσωτερικού της Γης, παρέχοντας στοιχεία για το σχήμα του εσωτερικού πυρήνα και δομές στο κάτω μέρος του μανδύα.
Μια ημέρα στη Γη δεν διαρκεί πάντα ακριβώς 24 ώρες. Στο πέρασμα αρκετών δεκαετιών, ο πλανήτης επιταχύνει και επιβραδύνει επανειλημμένα, αλλάζοντας αθόρυβα τη διάρκεια της ημέρας κατά μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Οι επιστήμονες γνώριζαν από καιρό ότι αυτές οι μετατοπίσεις περιλαμβάνουν ανταλλαγές στροφορμής μεταξύ του μανδύα της Γης και του υγρού εξωτερικού πυρήνα της. Αυτό που παρέμενε αβέβαιο ήταν το πώς δύο περιοχές που χωρίζονται από ένα όριο περίπου 2.900 χιλιομέτρων (1.800 μιλίων) κάτω από την επιφάνεια θα μπορούσαν να ασκήσουν αρκετή δύναμη η μία στην άλλη ώστε να προκαλέσουν τις μετρούμενες αλλαγές.
Ο απρόσμενος ρόλος του εσωτερικού πυρήνα
Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature υποδεικνύει μια μη αναμενόμενη πηγή: τον στερεό εσωτερικό πυρήνα της Γης. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η μεταβαλλόμενη περιστροφή του δημιουργεί μια βαρυτική δύναμη απέναντι σε ανωμαλίες πυκνότητας στον μανδύα, παράγοντας μια έλξη αρκετά ισχυρή ώστε να μεταβάλει την περιστροφή του πλανήτη σε έναν κύκλο περίπου 70 ετών.
«Η σχετική ευκολία με την οποία η βαρυτική ροπή μπορεί να εξηγήσει τις πολυδεκαετείς [αλλαγές στη διάρκεια της ημέρας] υποδηλώνει ότι αποτελεί τον κύριο οδηγό αυτών των μεταβολών», γράφουν οι ερευνητές. «Οι ηλεκτρομαγνητικές και τοπογραφικές ροπές ενδέχεται να διαδραματίζουν κάποιο ρόλο, αλλά η αντίθετη φάση τους υποδηλώνει ότι λειτουργούν κυρίως αντισταθμιστικά και όχι ως κινητήριες δυνάμεις [των αλλαγών στη διάρκεια της ημέρας]».
Πέρα από τη λύση ενός γεωφυσικού προβλήματος δεκαετιών, τα αποτελέσματα αυτά μετατρέπουν ουσιαστικά τη μεταβαλλόμενη διάρκεια της ημέρας σε ένα μέσο εξερεύνησης περιοχών στις οποίες ο άνθρωπος δεν μπορεί ποτέ να φτάσει άμεσα. Το μοντέλο των ερευνητών παρέχει στοιχεία για το σχήμα και τη μαλακότητα του εσωτερικού πυρήνα, για ένα πιθανώς πλούσιο σε σίδηρο στρώμα στο κάτω μέρος του μανδύα, καθώς και για δομές μεγέθους ηπείρου που βρίσκονται πάνω από τον πυρήνα.
Οι μηχανισμοί περιστροφής και το κομμάτι που έλειπε
Η περιστροφή της Γης μεταβάλλεται για πολλούς λόγους. Οι ατμοσφαιρικοί άνεμοι και η κυκλοφορία των ωκεανών προκαλούν εποχικές διακυμάνσεις, ενώ η τριβή από τη βαρυτική έλξη της Σελήνης επιμηκύνει σταδιακά τις ημέρες στην πάροδο εκατομμυρίων ετών.
Η νέα έρευνα επικεντρώθηκε σε ένα διαφορετικό σήμα: διακυμάνσεις μερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου που συμβαίνουν σε περιόδους περίπου 10 έως 70 ετών.
Προηγούμενες μελέτες είχαν δείξει ότι οι ροές στο εσωτερικό του υγρού εξωτερικού πυρήνα θα μπορούσαν να δικαιολογήσουν τη στροφορμή που εμπλέκεται. Όταν ο πυρήνας επιταχύνει, ο μανδύας επιβραδύνει για να αντισταθμίσει την αλλαγή, και το αντίστροφο. Επειδή ο φλοιός της Γης βρίσκεται πάνω στον μανδύα, αυτή η ανταλλαγή αλλάζει τον χρόνο που απαιτείται ώστε η επιφάνεια να ολοκληρώσει μία περιστροφή. Το κομμάτι που έλειπε ήταν ο μηχανισμός μεταφοράς αυτής της στροφορμής.
Η βαρυτική ροπή ως κινητήρια δύναμη
Η ιξώδης τριβή στο όριο μανδύα-πυρήνα είναι πολύ ασθενής. Άλλες προτεινόμενες εξηγήσεις περιλάμβαναν ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που δημιουργούνται εκεί όπου ο ηλεκτρικά αγώγιμος εξωτερικός πυρήνας συναντά τον μανδύα ή πίεση από τις ροές του πυρήνα που σπρώχνουν ενάντια σε τοπογραφικές ανωμαλίες κατά μήκος του ορίου.
Ωστόσο, ο υποψήφιος διδάκτορας φυσικής Huifeng Zhang και ο Δρ. Mathieu Dumberry από το Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα διαπίστωσαν ότι αυτές οι δυνάμεις δεν ταιριάζουν καλά με τον χρονισμό των παρατηρούμενων πολυδεκαετών μεταβολών. Αντίθετα, οι υπολογισμοί τους υποδεικνύουν ότι οι ηλεκτρομαγνητικές και τοπογραφικές δυνάμεις κυρίως αντιστέκονται στη μεταβολή.
Η κινητήρια δύναμη φαίνεται να προέρχεται από βαθύτερα. Παρά το όνομά του, ο εσωτερικός πυρήνας της Γης δεν είναι μια τέλεια σφαίρα. Το όριό του περιέχει ανεπαίσθητες ανωμαλίες, δίνοντάς του έναν ελαφρώς επιμήκη προσανατολισμό. Παρομοίως, οι μεταβολές πυκνότητας στον μανδύα δημιουργούν ένα μη ομοιόμορφο βαρυτικό πεδίο.
Υπό κανονικές συνθήκες, η βαρύτητα τείνει να διατηρεί τον επιμήκη άξονα του εσωτερικού πυρήνα ευθυγραμμισμένο με αυτές τις δομές του μανδύα. Ωστόσο, οι ροές στο περιβάλλον υγρό μέταλλο μπορούν να περιστρέψουν τον εσωτερικό πυρήνα ελαφρώς προς τα ανατολικά ή τα δυτικά σε σχέση με τον μανδύα. Αυτή η απουσία ευθυγράμμισης παράγει βαρυτική ροπή -το περιστροφικό ανάλογο μιας ελκτικής δύναμης- καθώς η βαρύτητα προσπαθεί να αποκαταστήσει την ευθυγράμμιση.
Τα ευρήματα των μοντέλων και ο κύκλος των 70 ετών
Για να δοκιμάσουν αυτή την ιδέα, οι ερευνητές συνδύασαν σεισμικές ανακατασκευές της περιστροφής του εσωτερικού πυρήνα με μοντέλα ροών του εξωτερικού πυρήνα, τα οποία προέκυψαν από μεταβολές στο μαγνητικό πεδίο της Γης. Στη συνέχεια, συνέκριναν τη ροπή που προέκυψε με τα διορθωμένα αρχεία διάρκειας της ημέρας από το 1964 έως το 2019.
Ο εσωτερικός πυρήνας φαίνεται να ταλαντώνεται σε σχέση με τον μανδύα κατά περίπου 2,35 μοίρες, με την περιστροφή του να αλλάζει κατεύθυνση γύρω στο 2010. Μόλις οι ερευνητές επέτρεψαν στο μη ομοιόμορφο όριό του να παραμορφωθεί, η επακόλουθη βαρυτική ροπή αναπαρήγαγε τόσο τον χρονισμό όσο και την έκταση των παρατηρούμενων πολυδεκαετών μεταβολών.
Η ανακατασκευή υποδηλώνει ότι το μοτίβο ροής του πυρήνα εναλλασσόταν μεταξύ δύο ευρύτερων καταστάσεων με επίκεντρο γύρω στο 1967 και το 2002. Σε κάθε κατάσταση, οι ροές που βρίσκονταν πιο κοντά στον άξονα του πλανήτη κινούνταν αντίθετα από εκείνες που βρίσκονταν γύρω από αυτόν, μετατοπίζοντας εναλλάξ τον εσωτερικό πυρήνα και αντιστρέφοντας τη βαρυτική έλξη στον μανδύα.
Το αν αυτό αντιπροσωπεύει έναν μόνιμο κύκλο 70 ετών παραμένει άγνωστο. Τα μαγνητικά αρχεία πριν από τα μέσα του 20ού αιώνα δεν είναι λεπτομερή ώστε να δείξουν συμπερασματικά αν το μοτίβο επαναλαμβανόταν και παλαιότερα. Παρ’ όλα αυτά, το μοντέλο αποκαλύπτει φυσικές λεπτομέρειες που δεν μπορούν να μετρηθούν άμεσα.
Νέα παράθυρα στα έγκατα του πλανήτη
Η ισχύς της ροπής περιορίζει επίσης τις δομές στη βάση του μανδύα. Οι υπολογισμοί υποδηλώνουν ότι οι ευρείες διακυμάνσεις στη βαρυτική τοπογραφία του ορίου μανδύα-πυρήνα ενδέχεται να υψώνονται και να υποχωρούν κατά μόλις 31 έως 83 μέτρα (102 έως 272 πόδια).
Αυτές οι τιμές υποστηρίζουν μοντέλα στα οποία οι τεράστιες περιοχές χαμηλής ταχύτητας κάτω από την Αφρική και τον Ειρηνικό -που συχνά περιγράφονται ως «σταγόνες» (blobs) μεγέθους ηπείρου– περιέχουν χημικά ξεχωριστό υλικό που είναι θερμότερο, αλλά εγγενώς πυκνότερο από το περιβάλλον του. Αυτά τα αντίθετα αποτελέσματα θα μπορούσαν να καταστήσουν τις δομές σχεδόν ουδέτερα ανωστικές.
Εάν η ηλεκτρομαγνητική οπισθέλκουσα παρέχει μεγάλο μέρος της δύναμης αντίστασης, τα αποτελέσματα υποστηρίζουν επίσης την ύπαρξη ενός παγκοσμίως κατανεμημένου, ηλεκτρικά αγώγιμου στρώματος εμπλουτισμένου με σίδηρο, πάχους περίπου 2 χιλιομέτρων (1,2 μιλίων), στη βάση του μανδύα.
Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι τα συμπεράσματά τους εξαρτώνται από ανακατασκευές της κίνησης του εσωτερικού πυρήνα και των ροών του υγρού πυρήνα που περιέχουν σημαντικές αβεβαιότητες. Διαφορετικά μοντέλα ροής μετατόπισαν ορισμένες από τις εκτιμήσεις της ροπής τους έως και κατά 30%.
Η ανάλυσή τους εξηγεί επίσης το ευρύ πολυδεκαετές σήμα καλύτερα από ό,τι τις βραχύτερες διακυμάνσεις διάρκειας 10 έως 30 ετών, οι οποίες ενδέχεται να περιλαμβάνουν δυνάμεις μανδύα-πυρήνα που τα σημερινά μοντέλα δεν αποτυπώνουν ακόμη.
Ωστόσο, τα ευρήματα δείχνουν πώς οι αλλαγές που μετρώνται σε χιλιοστά του δευτερολέπτου στην επιφάνεια της Γης μπορούν να αποκαλύψουν τη συμπεριφορά υλικού χιλιάδες χιλιόμετρα κάτω από αυτήν.
«Η καλύτερη ερμηνεία της φύσης της ροπής πυρήνα-μανδύα που οδηγεί [τις αλλαγές στη διάρκεια της ημέρας]», γράφουν οι ερευνητές, «συμβάλλει στην αποσφήνιση της κατανόησής μας για τις δομές, τις ιδιότητες των υλικών και τη δυναμική στο βαθύ εσωτερικό της Γης».