Вращение внутреннего ядра Земли оказалось неравномерным

Все космические тела вращаются вокруг своей оси. Твердые тела, к которым относится наша Земля, вращаются как единое целое и, как правило, весьма равномерно. Поэтому секунда, ранее определявшаяся как одна 86400-я доля земных суток, долго служила эталоном единицы времени. В любой точке поверхности Земли результат ее измерения окажется одним и тем же.

Гигантские планеты и звезды, не обладающие твердостью, проявляют дифференциальное вращение: период обращения вокруг оси различен для разных участков тела. На солнечном экваторе вещество совершает один оборот вокруг оси за 25 суток, а близ полюсов — за 34.

При более точном рассмотрении все оказывается не столь однозначно. Если в недрах небесного тела с твердой поверхностью есть расплавленные слои, движение жидкости в них может влиять на вращение всего тела. На вращение Земли влияют многие процессы, связанные с перераспределением массы в атмосфере и в глубине планеты, из-за чего продолжительность земных суток колеблется с амплитудой в несколько миллисекунд. Также она увеличивается на 2,3 миллисекунды за столетие из-за торможения вращения Земли приливными силами.

Вариации периода вращения Земли вокруг собственной оси за период с 1962 до 2022 года. По вертикали слева – отклонения продолжительности суток в миллисекундах (серая и зеленая кривая), справа – суммарная набегающая разница (красная кривая, интеграл от зеленой). Серым показаны мгновенные отклонения, годовая периодичность которых вызвана сезонными перераспределениями массы в атмосфере и на поверхности, а зеленым – усредненные за год величины, проявляющие несколько периодов колебаний. Одним из периодов является шестилетний, о котором пойдет речь далее. / © Wikipedia

Внутреннее ядро Земли, состоящее из твердого железа, отделено от остальной массы планеты толстым слоем расплавленного железа, и ученые давно предполагали, что его вращение может отличаться от суточного. В частности, логично ожидать, что оно «не поспевает» за приливным замедлением и вращается чуть быстрее земной поверхности (это называется суперротацией). Первые сейсмические исследования показывали, что так оно и есть, но попытки уточнения разницы скорости вращения привели к противоречивым результатам: от 0,1 до одного градуса в год.

В новой работе ученые из Университета Южной Калифорнии (USC) во главе с Джоном Видалем (John Vidale) уточнили параметры вращения внутреннего ядра Земли и обнаружили более сложную картину: оно то опережает вращение самой планеты, то отстает от него. Полные результаты их работы опубликованы в открытом виде здесь.

Каким образом вообще можно узнать, что происходит с внутренним ядром Земли, если оно находится примерно в 5200 километрах под нашими ногами? Тем же методом, которым было открыто его существование, — сейсмологией. Проходящие через Землю волны отражаются и преломляются на границах слоев, а также рассеиваются и отклоняются неоднородностями внутри самих слоев.

Схема распространения различных сейсмических волн в Земле. Основные процессы – рефракция (изгиб) при распространении в среде с изменяющейся плотностью, и отражение на границах разнородных слоев. Через внутреннее ядро способна проходить только очень малая доля волн, которые испытывают при этом множественные отражения. Буквы обозначают тип волн (P – продольные, S – поперечные), а так же пройденные слои. PKIKP – волны, использовавшиеся в данном исследовании. / © https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431424/Planety_na_lente_seysmometra

Изучение сейсмограмм позволило открыть области пониженной скорости распространения сейсмических волн в нижней мантии Земли и даже рассмотреть в них структуру толщиной всего пару десятков километров. При вращении внутреннего ядра его неоднородности смещаются, что выражается в изменяющемся сдвиге сейсмических волн, обогнувших центр Земли с разных сторон.

Измерение волн, прошедших через внутреннее ядро — очень сложная задача: приходится выделять из шума и анализировать слабые и многократно искаженные сейсмические сигналы. Здесь ученым помогли подземные ядерные испытания 1960-х и 1970-х годов. Землетрясения формируют сложные волны с распределенным в пространстве источником (гипоцентром). Даже неопределенность положения источника в несколько километров сравнима с вычисляемой разностью хода сейсмических волн и способна сильно затруднить анализ сейсмограмм. Напротив, подземный ядерный взрыв — «идеальный» источник зондирующих волн. Он обладает точно известными координатами и амплитудой, и к тому же он точечный и однократный, а не протяженный в пространстве и во времени.

Ранее ученые из той же группы проанализировали сейсмические волны от ядерных испытаний на Новой Земле в 1971 и 1974 годах. В свою новую работу они включили анализ волн от двух других ядерных испытаний достаточной мощности, которые были проведены на острове Амчитка на Аляске в 1969-м и 1971 году. Обрабатывать их оказалось гораздо сложнее, поскольку рядом с местом испытаний расположена Алеутская зона субдукции, сильно рассеивающая сейсмические волны. Когда ученые убедились, что выделили искомые сигналы на всех сейсмограммах, они обнаружили следующую картину.

С 1969 по 1971 год ядро сдвинулось на 0,05 градуса против вращения Земли, а с 1971 по 1974 год оно, наоборот, повернулось вперед на 0,25 градуса. Для дополнительного подтверждения они сопоставили полученные данные с продолжительностью земных суток и нашли, что ее изменения в тот же период подтверждают их результаты.

Сопоставление отклонений вращения внутреннего ядра Земли, рассчитанных по сейсмическим данным (черные кривые, в градусах) и шестилетнего периода продолжительности суток (серая кривая на верхнем рисунке, шкала в миллисекундах). Даты ядерных испытаний, породивших использованные сотрясения, отмечены вертикальными линиями: синими – на Амчитке и красными – на Новой Земле. / © https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm9916

Таким образом, на суперротацию внутреннего ядра накладываются колебания с периодом около шести лет, которые связаны с обменом угловым моментом между ним и верхними оболочками Земли. Задержка между кривыми на графиках обусловлена продолжительностью процессов, вызывающих этот обмен. Механизм, вызывающий колебания, скорее всего, связан с конвективными потоками во внешнем ядре, но его детали еще предстоит изучить.