Всеволод Чабанець
Різниця настільки мала, що людина не здатна відчути її у повсякденному житті: йдеться лише про кілька мілісекунд. Проте надзвичайно точні вимірювання демонструють, що обертання Землі не є абсолютно стабільним. Протягом десятиліть планета може трохи прискорюватися або сповільнюватися, через що тривалість доби змінюється. Одне з можливих пояснень цього явища приховане глибоко під поверхнею Землі — у взаємодії внутрішнього ядра, рідкого зовнішнього ядра та мантії.
Звична для людей 24-годинна доба є зручною одиницею вимірювання часу, однак у фізичному сенсі кожен день може бути трохи довшим або коротшим за попередній. Такі відхилення не впливають на звичайний розпорядок, роботу годинників чи зміну дня і ночі, але мають велике значення для наукових спостережень, супутникової навігації, астрономії та вивчення внутрішньої будови планети.
Чому земна доба не завжди триває однаково
Земля обертається навколо власної осі, однак швидкість цього обертання не залишається незмінною. На тривалість доби впливають одразу кілька процесів: рухи в атмосфері та океанах, зміни у розподілі маси на планеті, припливна взаємодія з Місяцем, землетруси, танення льодовиків і переміщення речовини всередині Землі.
Усі ці фактори діють дуже повільно або мають надзвичайно малий масштаб. Саме тому людина не помічає різниці. Якщо Земля обертається трохи швидше, доба скорочується на частки секунди. Якщо швидкість обертання зменшується, день стає трохи довшим. Зазвичай зміни вимірюють у мілісекундах, тобто в тисячних частках секунди.
На перший погляд такі коливання можуть здатися незначними. Проте якщо накопичувати спостереження протягом років і десятиліть, у них можна побачити певні закономірності. Дослідники помітили, що рух глибоких шарів Землі також має циклічний характер. Рідка частина ядра може протягом певного періоду обертатися швидше, а потім поступово втрачати швидкість. Мантія при цьому реагує протилежним чином.
Важливу роль у цьому процесі відіграє закон збереження кутового моменту. Якщо одна частина планети починає обертатися швидше, інша може трохи сповільнитися. Аналогічний принцип можна побачити у фігуриста, який під час обертання притискає руки до тіла: швидкість його руху збільшується, оскільки змінюється розподіл маси. Земля є набагато складнішою системою, але загальний фізичний принцип залишається подібним.
Коли внутрішні шари планети прискорюють рух, кам’яниста мантія разом із земною корою може ледь помітно сповільнюватися. Для поверхні це означає збільшення тривалості доби на кілька мілісекунд. Коли ж глибокі шари втрачають швидкість, мантія здатна трохи прискоритися, а день — відповідно скоротитися.
Однак тривалий час науковці не могли повністю пояснити, що саме змушує різні частини Землі обмінюватися кутовим моментом. Одну з відповідей може дати поведінка твердого внутрішнього ядра.
Як внутрішнє ядро впливає на обертання планети
У центрі Землі розташоване тверде внутрішнє ядро, оточене рідким зовнішнім ядром. Воно складається переважно із заліза та нікелю й перебуває під дією колосального тиску. Попри те, що внутрішнє ядро вважають твердим, воно не є ідеально гладкою кулею з рівномірно розподіленою масою.
Нерівномірності у його будові можуть мати важливе значення. Якщо форма, положення або швидкість обертання внутрішнього ядра трохи змінюються, виникає гравітаційний момент. Він може впливати на сусідні шари планети, зокрема на мантію, яка розташована на відстані тисяч кілометрів від центру Землі.
Простіше кажучи, різні частини планети гравітаційно взаємодіють між собою. Неоднорідності внутрішнього ядра можуть вступати у взаємодію з неоднорідностями мантії. Через це виникає дуже слабкий, але постійний обмін рухом. Коли внутрішнє ядро дещо змінює власне обертання, гравітаційний зв’язок здатен передавати частину цього впливу зовнішнім шарам.
Мантія має товщину приблизно 3 тисячі кілометрів і складається з величезного об’єму гірських порід. Тому йдеться не про переміщення окремої ділянки, а про надзвичайно малу зміну руху величезної частини планети. Навіть незначний вплив на таку масштабну систему може змінити швидкість обертання Землі загалом.
Гравітація не є єдиною силою, яка діє на межі між ядром і мантією. Тут також відіграють роль електромагнітні процеси та опір руху. Рідке зовнішнє ядро проводить електричний струм, а його переміщення пов’язане з формуванням магнітного поля Землі. Електромагнітна взаємодія може протидіяти гравітаційному впливу або змінювати його силу.
У результаті формується складний баланс. Гравітаційні сили намагаються передати обертальний рух між внутрішнім ядром і мантією, тоді як інші механізми можуть стримувати цей обмін. Саме така взаємодія, за припущеннями дослідників, і створює невеликі коливання швидкості обертання планети.
Що це відкриває про глибини Землі
Дослідження тривалості доби допомагає не лише точніше вимірювати час. Воно також дає змогу зазирнути у внутрішню будову планети, яку неможливо безпосередньо дослідити за допомогою буріння чи звичайних спостережень. Інформацію про процеси на глибині отримують завдяки аналізу магнітного поля, сейсмічних хвиль і змін швидкості обертання Землі.
Спостереження за магнітним полем свідчать, що рідка частина ядра змінює швидкість свого руху протягом десятиліть. Ці зміни можуть бути пов’язані з процесами, які відбуваються на межі між ядром і мантією. Порівнюючи дані про магнітне поле з вимірюваннями тривалості доби, науковці намагаються відокремити вплив різних факторів і зрозуміти внесок кожного з них.
Особливо цікавим є припущення, що внутрішнє ядро може повільно деформуватися. Йдеться не про раптову зміну форми, а про дуже повільний процес, який розгортається протягом приблизно десяти років. Під дією величезного тиску і гравітаційних сил навіть тверда речовина здатна поступово змінювати форму. Таку поведінку можна описати як в’язку деформацію.
Це означає, що внутрішнє ядро не варто уявляти як абсолютно нерухому металеву кулю. Воно може реагувати на сили, що діють навколо нього, змінювати швидкість обертання і повільно перебудовуватися. Водночас ці процеси відбуваються настільки повільно, що не створюють жодної небезпеки для поверхні планети.
Для повсякденного життя зміни тривалості доби залишаються непомітними. Годинники продовжують показувати звичні 24 години, а люди не відчувають різниці у кілька мілісекунд. Проте для високоточних систем навіть такі малі відхилення мають значення. Вони враховуються під час роботи навігаційних технологій, супутникових систем, астрономічних розрахунків і глобальних вимірювань.
Отже, відповідь на питання, чому доба іноді триває не рівно 24 години, пов’язана з постійним рухом усередині Землі. Планета не є монолітною кулею: її ядро, мантія, океани й атмосфера взаємодіють між собою та обмінюються енергією і кутовим моментом. Частина коливань може виникати через рух рідкого ядра, частина — через припливний вплив Місяця, а ще один важливий механізм здатен бути пов’язаний із гравітаційною взаємодією твердого внутрішнього ядра та мантії.
Таким чином, звична тривалість дня є результатом динамічної рівноваги, яка постійно змінюється. За кожними 24 годинами, що здаються незмінними, приховані складні процеси на глибині майже 6 тисяч кілометрів під поверхнею Землі.