О таком понятии, как круговорот воды в природе, мы знаем со школьной скамьи. Оказывается, сезонное перераспределение жидкости на поверхности планеты столь масштабно, что заставляет центр масс Земли ежегодно сдвигаться на несколько миллиметров туда и обратно. Но дело не только в воде — на его перемещение влияет и атмосфера.

А ведь центр масс Земли является важнейшей точкой отсчёта для спутниковой навигации и измерения высоты.

Если бы Земля была идеально ровным шаром с одинаковой плотностью, её центр масс совпадал бы с геометрическим центром. Но планета неоднородна: континенты тяжелее океанов, а внутри находится металлическое ядро и жидкая магма. А ещё на поверхности постоянно перемещаются вода, лёд и атмосфера. Снег накапливается в Евразии, дожди заливают Амазонию, муссонные воды затапливают Юго-Восточную Азию.

Вся эта масса давит на кору, планета прогибается и деформируется — и центр её масс смещается. Наша Земля словно «покачивается» вокруг своего геометрического центра. Говоря поэтическим языком — «дышит». И такое происходит от сезона к сезону.

Группа учёных из Лаборатории реактивного движения НАСА под руководством геофизика Дональда Аргуса предложила способ расчёта этих сезонных колебаний с чрезвычайно высокой точностью. Методика и результаты подробно описаны в исследовании, опубликованном в Geophysical Journal International. Авторы наглядно демонстрируют, как весеннее таяние снега, бурлящие океаны и плотный зимний воздух каждый год сдвигают центр масс Земли туда-сюда.

Традиционно для определения центра масс планеты используют два спутника — LAGEOS 1 и LAGEOS 2. Они похожи на зеркальные дискотечные шары: их поверхность покрыта отражателями, а наземные станции, расположенные в более чем 20 странах мира, посылают к ним лазерные импульсы. По времени возврата сигнала учёные вычисляют положение спутников — а значит, и центра масс Земли.

Но у этого метода есть недостаток: станции распределены по поверхности планеты неравномерно. Поэтому две последние международные оценки (они были сделаны в 2017 и 2023 годах) расходились на 7 миллиметров. Кстати, почти столько же составляет величина самого измеряемого эффекта. То есть приблизительно на такое же расстояние (7 миллиметров) и смещается центр масс Земли ежегодно.

Чтобы избежать погрешности измерений, Дональд Аргус и его коллеги объединили данные спутников LAGEOS с GPS-трекингом и орбитальными данными нескольких космических аппаратов, летающих на низкой околоземной орбите. Кроме того, исследователи учли, как вес воды и льда деформирует земную кору, «увлекая» за собой наземные станции, что также искажает производимые ими измерения.

Авторы исследования проанализировали сезонные колебания центра масс Земли и пришли к выводу, что на «дыхание» планеты воздействуют три фактора — океаны, атмосфера и континентальные воды (они состоят изо льда, снега, воды озёр и рек, почвенной влаги и грунтовых вод).

Рассмотрим эти факторы подробнее.

• В марте каждого года накопление снега в Северной Америке и Евразии достигает максимума. Оно смещает центр масс Земли на 3 миллиметра в сторону Северного полюса.
• Спустя месяц свой вклад вносит Амазония. Эта огромная область в Южной Америке, занимающая большую часть бассейна реки Амазонки, в апреле наполняется водой (на пике её масса достигает 2,4 триллиона тонн) благодаря обильным осадкам. В результате центр масс планеты оттягивается на 2,2 миллиметра в сторону Южной Америки.
• В период с августа по октябрь океаны наполняются талой водой и дождями, что смещает центр масс Земли в сторону южной части Тихого океана. Дело в том, что это самый большой океан на планете, и изменения его массы затмевают колебания в других водных бассейнах.
• В ноябре количество муссонных вод в Юго-Восточной Азии достигает максимума, что также влияет на колебание центра масс.
• Наконец, установлено, что холодный, плотный зимний воздух перевешивает «чашу весов» над Аравией, Азией и Северной Африкой, и это происходит каждый год к 21 декабря. А ровно через полгода, к 21 июня, аналогичная ситуация наблюдается на противоположной стороне Земли — атмосфера становится тяжелее над Южной Америкой и Южной Африкой.

Как уже сказано, ежегодный сдвиг центра масс Земли составляет 7 миллиметров. Это кажется мелочью, но современная навигация и картография работают на пределе точности. Если «ноль» системы координат смещается, то «уплывают» и все числовые значения высот, орбит спутников, уровня моря и пр.

«Хотя эти перемещения могут показаться незначительными, современная цивилизация полагается на чрезвычайно точные измерения местоположения, — объясняет океанограф Феликс Ландерер, один из авторов исследования. — Раскрыв и поняв механизмы, изменяющие системы отсчёта, мы можем создать более совершенные системы, которые в итоге принесут пользу картографии и навигации — от глобальной логистики морских перевозок до точного земледелия».

Теперь учёные хотят понять, как на смещение центра масс Земли влияют глубинные процессы, происходящие в её мантии и ядре. Это позволит им ещё лучше уловить её «дыхание».