Притяжение в гравитационном поле Земли указывает на перераспределение массы

Фото из открытых источников

В начале 2007 года под Атлантическим океаном произошли изменения, незаметные для человека, но тем не менее незначительно изменившие гравитационное притяжение на поверхности.

Спустя годы орбитальные спутники показали, что это кратковременное возмущение было вызвано масштабной перестройкой глубоко внутри Земли, далеко под океанами и континентами.

Согласно ежемесячным спутниковым данным, сигнал появился в восточной части Атлантического океана в период с 2006 по 2008 год, достигнув пика в январе 2007 года и распространившись примерно на 4350 миль.

Тщательный анализ данных в университете Париж-Сите выявил широкий диапазон более сильного притяжения, соседствующий с более слабым, а затем оба фактора ослабли.

Руководителем этой работы была Шарлотта Гонье Гурантон, которая изучает тонкие изменения земной гравитации. Результаты исследования опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.

Ее исследования посвящены отслеживанию того, как глубинные движения Земли оставляют измеримые следы в спутниковых записях, особенно когда сигналы с поверхности взаимно компенсируются.

Наблюдение кратковременного явления такого масштаба указывает на то, что планета способна быстро перестраивать материю без землетрясений.

С 2002 по 2017 год НАСА и немецкое космическое агентство запускали GRACE — миссию с двумя спутниками, измеряющую гравитацию по изменениям расстояния. По мере того, как оба аппарата пролетали над более плотными областями, ведущий космический аппарат немного ускорился, увеличив расстояние между ними.

Компьютеры превратили эти мельчайшие изменения в глобальные карты, которые часто отслеживают уровень грунтовых вод, таяние льда и изменение уровня моря. Поскольку вода движется быстро и в больших объемах, исследователям приходилось тщательно фильтровать данные, чтобы обнаружить более глубокие изменения.

Анализ ежемесячных данных показал, что аномалия нарастала в период с 2006 по 2008 год, достигнув пика в январе 2007 года.

Исследователи рассчитали градиенты гравитации — показатели изменения гравитации на расстоянии, которые указывают на границы, где масса движется вбок. Полученная картина показала, что одна полоса тянет немного сильнее, а соседняя — слабее, что соответствует перемещению массы с одной стороны на другую. Поскольку оба полюса поднимались и затухали одновременно, команда сочла поверхностный шум маловероятной причиной.

Большинство изменений гравитации над океанами происходит из-за движения воды сверху, поэтому группа исследователей сначала провела эксперименты на суше и в океанской воде. Они сравнили аномалию с гидрологическими моделями, компьютерными симуляциями движения воды в бассейнах, но временные рамки по-прежнему не совпадали.

Данные о температуре океана, солености и уровне моря также не подтвердили наличие соответствующего массового выброса в том же регионе.

Для обнаружения одной лишь воды потребовалось бы невероятное количество в нужном месте, поэтому внимание переключилось на скальные породы, расположенные глубоко под землей.

Спутники, изучающие магнитное поле, зафиксировали резкое изменение над Атлантическим океаном примерно в то же время, когда возникла аномалия. Ученые называют этот шаг геомагнитным рывком — внезапным изменением долгосрочных тенденций изменения магнитного поля.

Изменения в основном потоке могут вызывать такое поведение, поскольку движение жидкого железа изменяет электрические токи, поддерживающие магнетизм. Совпадение указывает на наличие общего фактора, однако данные не позволяют доказать, что одно событие стало причиной другого.

Значительная часть нижней мантии состоит из бриджманита, высокотемпературного магниево-силикатного минерала, преобладающего в глубинных горных породах.

Под воздействием сильного нагрева и давления бриджманит может претерпеть фазовый переход, в результате которого атомы твердого вещества перестраиваются в новую кристаллическую решетку.

Исследователи описывают исходную форму как перовскит, кристаллическую структуру, стабильную на большей части нижней мантии. Вблизи самого горячего нижнего слоя бриджманит может трансформироваться в постперовскит — более плотную структуру, которая увеличивает локальную массу.

Группа исследователей определила местоположение источника вблизи границы ядра и мантии, на границе между твердой мантией и жидким ядром. Эта граница находится под слоем D”, самой нижней частью мантии, непосредственно над внешним ядром, где температура резко меняется.

Более горячие участки сдвигают границу фаз глубже, а более холодные — поднимают её, поскольку стабильность определяется давлением и температурой. Если обширная область пересечет линию стабильности в течение нескольких месяцев, значительная масса может сместиться, не вызывая растрескивания породы.

Чтобы объяснить эту аномалию, исследователи искали способ быстро перераспределить массу в глубинных слоях, а затем дать ей расслабиться. Смещение границы раздела фаз вверх или вниз изменяет плотность, в результате чего больше веса накапливается с одной стороны и меньше — с другой.

«Анализируя временные ряды градиентов гравитации, полученные с помощью прибора GRACE, мы выявили аномальный крупномасштабный сигнал градиента гравитации в восточной части Атлантического океана, достигший максимума в начале 2007 года, который не может быть полностью объяснен ни поверхностными водными источниками, ни потоками флюидов в ядре», — пишет Гурантон.

Это утверждение также устанавливает ограничение, поскольку одной лишь гравитацией невозможно точно определить, какая именно глубинная структура переместилась, без помощи сейсмической съемки.

В ходе моделирования изменяющаяся граница минеральных зон рассматривалась как движущийся интерфейс, поскольку более плотный материал концентрируется там, где заканчивается переход.

Наилучшие совпадения наблюдались, когда граница раздела фаз поднималась и опускалась в пределах широкой тепловой области, а не в крошечном участке.

«Это позволяет предположить, что по крайней мере часть этого сигнала может отражать быстрые перераспределения массы в глубинах мантии», — отмечает Гурантон.

Обнаружение большего количества подобных событий будет иметь значение, поскольку эта идея нуждается в подтверждении, а одно обнаружение не может показать частоту.

В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что спутники способны регистрировать быстрые перестройки на большой глубине под океанами, даже когда гравитация преобладает над гравитацией поверхностных вод.

Для подтверждения механизма потребуется больше гравиметрических данных и более качественное сейсмическое покрытие, поскольку изменения глубинных структур остаются невидимыми на уровне моря.