Центр масс Земли в течение года смещается на несколько миллиметров, поскольку вода, снег, лёд и воздух постоянно перераспределяются между полушариями. Специалисты NASA уточнили сезонные смещения с помощью спутниковых измерений и показали, какие процессы сильнее всего раскачивают условный центр планеты. Миллиметровые движения важны для точной спутниковой навигации, картографии и измерения высот.
Центр масс не совпадает постоянно с геометрическим центром Земли. Если представить планету идеально твёрдым шаром с неизменным распределением вещества, обе точки находились бы в одном месте. Реальная Земля устроена иначе: вода перемещается между океаном и сушей, выпадает и тает снег, меняются запасы грунтовых вод и масса воздуха над разными регионами. Вместе с перераспределением огромных масс немного смещается и точка, вокруг которой фактически обращаются спутники.
В новой работе исследователи предложили точнее отделять движение центра масс от деформации самой земной поверхности. Вода и лёд не только меняют распределение массы планеты, но и своей тяжестью слегка прогибают земную кору, вместе с которой двигаются наземные измерительные станции. Новый подход учитывает такие деформации и объединяет лазерное слежение за спутниками, измерения GPS и данные аппаратов на низкой околоземной орбите.
Один из самых заметных сезонных сдвигов происходит к марту. Снег, накопившийся за зиму в Северной Америке и Евразии, перемещает центр масс примерно на 3 мм в сторону Северного полюса. В апреле огромные запасы дождевой воды в бассейне Амазонки достигают примерно 2400 гигатонн и смещают центр масс приблизительно на 2,2 мм в сторону Южной Америки.
Дальше в годовой цикл вмешиваются муссоны и океаны. Запасы воды в Юго-Восточной Азии добавляют собственный, меньший вклад, а в конце лета и осенью талая и дождевая вода увеличивает массу океанов. Особенно сильно на положение центра масс влияет Тихий океан: из-за огромной площади изменения его массы способны перекрывать вклад многих других морей и океанских бассейнов.
Атмосфера тоже участвует в движении. Холодный зимний воздух плотнее тёплого, поэтому сезонные скопления воздушных масс немного перетягивают центр планеты. Расчёты показывают заметный вклад зимней атмосферы над Аравией, Азией и севером Африки примерно в декабре, а над Южной Америкой и югом Африки примерно в июне.
Проверить картину помогли спутники GRACE-FO, которые следят за изменениями гравитационного поля Земли. Два аппарата летят один за другим, а приборы постоянно измеряют расстояние между ними. Когда первый спутник проходит над областью с повышенной массой, например над наполненным водой речным бассейном, дополнительное притяжение едва заметно меняет дистанцию между аппаратами. По таким отклонениям можно проследить движение воды даже там, где большая её часть скрыта под землёй.
Точность здесь имеет особое значение. Международные оценки сезонного движения центра Земли, полученные в 2017 и 2023 годах, расходились примерно на 7 мм, то есть ошибка была сравнима с величиной самого эффекта. Два результата, полученных новым способом, отличаются от современных оценок по международной системе координат и данным гравитационных спутников не более чем на 2,5 мм.
Миллиметры могут показаться несущественными на фоне размеров планеты, однако современная геодезия работает именно с такими величинами. Положение центра масс служит одной из опор глобальной системы координат, от которой зависят расчёты спутниковых орбит, точное определение высоты и координат, картография и навигация. Более точное понимание сезонной «качки» Земли позволит уменьшить систематические ошибки там, где даже несколько миллиметров уже имеют значение.
