Durata zilei nu este perfect constantă, ci variază cu câteva milisecunde de-a lungul deceniilor. Un nou studiu publicat în Nature arată că aceste schimbări pe termen de mai multe decenii sunt explicate în principal de interacțiunea gravitațională dintre nucleul intern solid și mantaua Pământului, în timp ce forțele electromagnetice și mecanice acționează în sens opus. Rezultatele oferă și indicii despre structura și proprietățile regiunilor aflate la cea mai mare adâncime a planetei.
O zi de 24 de ore nu este chiar atât de fixă
Atunci când privim un ceas, avem impresia că rotația Pământului este unul dintre cele mai stabile procese din natură. O zi are aproximativ 24 de ore, iar variațiile sunt imposibil de observat în viața de zi cu zi.
La scara instrumentelor geofizice însă, lucrurile sunt mai complicate. Durata zilei se modifică ușor în timp, iar aceste schimbări pot fi măsurate cu o precizie de ordinul milisecundelor. Pe intervale de câteva decenii, variațiile pot ajunge la câteva milisecunde.
Aceste diferențe sunt extrem de mici pentru noi, dar reprezintă o fereastră importantă către ceea ce se întâmplă la mii de kilometri sub suprafața planetei.
Un studiu publicat în Nature de Huifeng Zhang și Mathieu Dumberry, de la Universitatea din Alberta, Canada, propune acum o explicație pentru variațiile multidecenale ale rotației Pământului. Cercetătorii arată că mecanismul dominant este legat de forța gravitațională exercitată între nucleul intern și manta.
Ce se întâmplă în interiorul Pământului
Pentru a înțelege fenomenul, trebuie să coborâm imaginar până în centrul planetei. Pământul are un nucleu format în principal din fier. Partea sa exterioară este lichidă și se află într-o permanentă mișcare, în timp ce nucleul intern al Pamantului este solid. Acesta nu este însă complet „blocat” față de restul planetei. El poate avea o rotație ușor diferită de cea a mantalei și a suprafeței Pământului.
În același timp, nucleul extern lichid se mișcă și generează câmpul magnetic al planetei. Aceste mișcări creează interacțiuni complexe între nucleu, nucleul intern și manta.
Una dintre consecințe este un schimb de moment cinetic, adică o redistribuire a „cantității de rotație” între diferitele componente ale Pământului. Atunci când mantaua pierde sau câștigă o parte din acest moment cinetic, viteza de rotație a planetei se modifică foarte puțin, iar odată cu ea se modifică și durata zilei.
O competiție între trei forțe
Cercetătorii au analizat trei mecanisme prin care nucleul poate interacționa cu mantaua.
Primul este cuplajul electromagnetic. Mișcarea fierului lichid din nucleul extern generează câmpul magnetic al Pământului, iar interacțiunile dintre câmpul magnetic și materialele conductoare din apropierea limitei dintre nucleu și manta pot transmite un cuplu de rotație.
Al doilea este un cuplaj topografic. Suprafața limitei dintre nucleu și manta nu este perfect netedă. Există denivelări, iar mișcările nucleului lichid pot interacționa mecanic cu acestea.
Al treilea mecanism este cuplajul gravitațional dintre nucleul intern și manta. Iar acesta este cel care a ieșit în evidență în noul studiu.
Imaginea rezultată este surprinzător de dinamică: în interiorul unei planete care pare solidă și stabilă la scară umană, mai multe regiuni uriașe se „trag” și se „împing” reciproc, modificând foarte puțin viteza de rotație a întregii planete.
Nucleul intern nu se rotește întotdeauna la fel
Un element esențial al studiului a fost reconstruirea mișcării nucleului intern. Pentru aceasta, cercetătorii s-au bazat pe studii seismologice care au urmărit modul în care undele produse de cutremure traversează interiorul Pământului. Schimbările subtile ale acestor unde pot dezvălui modificări ale poziției și rotației nucleului intern.
Datele folosite în model indică faptul că nucleul intern a avut o rotație ușor mai rapidă în raport cu restul planetei până în jurul anului 2010, după care această tendință s-a inversat. Reconstrucția este importantă deoarece oferă cercetătorilor o modalitate de a lega mișcările nucleului intern de modificările observate în rotația Pământului.
Zhang și Dumberry au combinat aceste informații cu modele ale curenților din nucleul extern, reconstruite pornind de la schimbările observate în câmpul magnetic al Pământului. Analiza lor s-a concentrat asupra perioadei 1964–2019 și, în special, asupra variațiilor cu perioade de aproximativ 60–70 de ani.
Gravitația pare să conducă acest dans subteran
Rezultatul central al studiului este că variațiile multidecenale ale durata zilei sunt reproduse cel mai bine atunci când cuplul gravitațional al nucleului intern este mecanismul dominant. Însă asta nu înseamnă că celelalte forțe nu contează.
Din contră, cercetătorii descriu un adevărat „război” al cuplurilor. Gravitația tinde să readucă regiunile dense ale nucleului intern într-o anumită aliniere cu anomaliile de densitate din manta. Mișcările nucleului extern, în schimb, pot scoate nucleul intern din această aliniere, în timp ce cuplajele electromagnetic și topografic contribuie la dinamica sistemului.
Rezultatul este o oscilație lentă a sistemului, care se reflectă în viteza de rotație a mantalei și, implicit, în lungimea zilei. Cu alte cuvinte, rotația Pământului nu este controlată doar de ceea ce se întâmplă la suprafață sau în apropierea ei. O parte din variațiile sale foarte fine își are originea în interacțiunile dintre structuri aflate la mii de kilometri adâncime.
Ce ne spune fenomenul despre interiorul planetei
Poate că cea mai interesantă consecință a studiului nu este însă modificarea cu câteva milisecunde a duratei unei zile, ci informația pe care aceasta o oferă despre interiorul Pământului. Pentru ca modelul să reproducă observațiile, cercetătorii au trebuit să ia în calcul anumite proprietăți ale regiunilor foarte adânci ale mantalei și ale nucleului.
Rezultatele susțin un model în care partea inferioară a mantalei conține structuri mari, distincte din punct de vedere termochimic, cunoscute drept LLVP (large low-velocity provinces). Studiul este compatibil și cu existența unei faze de post-perovskit cu vâscozitate redusă, precum și cu un strat îmbogățit în fier și foarte bun conductor electric la baza mantalei.
Cercetătorii estimează, de asemenea, că nucleul intern ar putea avea o vâscozitate suficient de mică pentru a se deforma pe intervale de doar câțiva ani. Această concluzie oferă noi constrângeri asupra proprietăților fizice ale celei mai inaccesibile regiuni a planetei.
Este remarcabil că toate aceste informații pot fi deduse fără ca oamenii de știință să poată observa direct ceea ce se întâmplă la acele adâncimi. Cutremurele, câmpul magnetic și rotația Pământului devin, împreună, instrumente pentru explorarea unui loc pe care nu îl putem atinge.
O explicație importantă, dar nu ultimul cuvânt
Noul studiu nu înseamnă că problema variațiilor rotației Pământului a fost închisă definitiv. Modelul cercetătorilor reproduce bine variațiile multidecenale analizate, dar există și factori care trebuie luați în calcul atunci când se studiază durata zilei la diferite scări de timp. Atmosfera și oceanele, de exemplu, pot schimba și ele distribuția momentului cinetic al planetei.
În plus, reconstrucția rotației nucleului intern se bazează pe date seismice și pe modele asupra cărora există încă incertitudini și diferențe de interpretare între cercetători. Nature subliniază că nu toți seismologii sunt de acord asupra întregii istorii a rotației nucleului intern folosite în această analiză.
Tocmai de aceea, rezultatul este mai interesant privit ca o piesă importantă dintr-un puzzle decât ca o explicație definitivă a tuturor variațiilor rotației planetei.
Sursa: Natura