Zem nie je dokonale nehybná guľa s nemenným stredom hmotnosti. Voda sa presúva medzi oceánmi a pevninou, na severnej pologuli pribúda a mizne sneh a dokonca aj atmosféra mení rozloženie svojej hmotnosti. Výsledkom je, že stred hmotnosti našej planéty sa počas roka nepatrne pohybuje. Vedci ho teraz dokázali sledovať presnejšie než predtým.

Ako vysvetľuje NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), sezónne presuny vody a vzduchu dokážu meniť rozloženie hmotnosti celej planéty natoľko, že sa jej stred hmotnosti merateľne posúva. Hovoríme však o mimoriadne malých vzdialenostiach – rádovo o milimetroch.

Stred hmotnosti Zeme nie je stále na rovnakom mieste

Keď hovoríme o „strede Zeme“, v tomto prípade nejde jednoducho o geometrický bod uprostred planéty. Vedcov zaujíma stred hmotnosti celého systému Zeme, teda bod určený rozložením jej hmoty.

A toto rozloženie sa neustále mení.

Voda sa vyparuje z oceánov, padá ako dážď alebo sneh, hromadí sa na kontinentoch a následne sa prostredníctvom riek či podzemných vôd vracia späť do oceánov. Ľad sa tvorí a topí a obrovské vzduchové masy sa presúvajú atmosférou.

Jednotlivo môžu tieto zmeny pôsobiť zanedbateľne. Na úrovni celej planéty však ide o obrovské množstvo presúvajúcej sa hmoty.

Pre geodéziu je preto dôležité presne vedieť, kde sa stred hmotnosti Zeme v konkrétnom okamihu nachádza.

Vedci museli skombinovať viacero druhov meraní

Určiť polohu tohto bodu s milimetrovou presnosťou nie je jednoduché.

Jedným z nástrojov sú satelity LAGEOS, pasívne družice pokryté retroreflektormi. Pozemné stanice k nim vysielajú laserové impulzy a z času, za ktorý sa svetlo vráti späť, možno veľmi presne určiť ich vzdialenosť.

Samotné laserové merania však majú svoje obmedzenia. Pozemné stanice nie sú po planéte rozmiestnené rovnomerne a zároveň sa pohybuje aj samotný zemský povrch.

Vedci preto vytvorili nový prístup, v ktorom skombinovali satelitné laserové merania s údajmi GPS a zohľadnili aj deformácie zemskej kôry spôsobené hmotnosťou vody, snehu a ľadu.

Práve tieto korekcie umožnili sezónny pohyb stredu hmotnosti Zeme odhadnúť presnejšie.

Predchádzajúce odhady boli zrejme príliš vysoké

Nové výsledky priniesli prekvapenie. Ročné výkyvy stredu hmotnosti sú podľa výpočtov menšie, než naznačovali niektoré staršie odhady.

V určitých smeroch môže byť sezónny pohyb približne o polovicu menší, než sa predpokladalo na základe predchádzajúcich analýz.

Dôvodom nie je, že by sa voda či atmosféra prestali presúvať. Vedci dokázali lepšie oddeliť skutočný pohyb stredu hmotnosti od pohybov a deformácií povrchu, na ktorom stoja meracie stanice.

Rozdiel niekoľkých milimetrov sa môže zdať nepodstatný. Pri najpresnejších geodetických meraniach však už takáto odchýlka zohráva úlohu.

V zime ho sneh potiahne smerom na sever

Jedným z najzaujímavejších príkladov je zima na severnej pologuli.

Keď sa nad rozsiahlymi časťami Severnej Ameriky a Eurázie nahromadí sneh, obrovské množstvo vody sa na určitý čas presunie z oceánov na severné kontinenty.

Podľa JPL tento sezónny presun hmoty dokáže posunúť stred hmotnosti Zeme približne o 3 milimetre smerom k severnému pólu.

Na jar a v lete sa sneh roztápa, voda odteká a rozloženie hmotnosti sa opäť mení.

Planéta tak počas roka akoby nepatrne „prevažovala“ z jednej strany na druhú.

Svoju stopu zanecháva aj Amazónia a monzúny

Sneh však nie je jediným faktorom. Veľmi dobre viditeľný je aj sezónny cyklus dažďov.

Keď v povodí Amazonky nastane obdobie intenzívnych zrážok, na juhoamerickom kontinente sa dočasne nahromadí obrovské množstvo vody. Aj to posúva rozloženie hmotnosti celej planéty.

Podobný mechanizmus funguje v oblastiach ovplyvňovaných ázijskými monzúnmi. V určitých mesiacoch sa na pevninu dostáva oveľa viac vody a následne sa postupne vracia do oceánu.

Stred hmotnosti Zeme preto nevykonáva jednoduchý pohyb tam a späť. Jeho poloha je výsledkom viacerých súčasne prebiehajúcich sezónnych cyklov.

Obrovskú úlohu zohrávajú oceány

Najväčšiu časť povrchu Zeme pokrývajú oceány, a preto majú zmeny v rozložení oceánskej vody mimoriadne veľký význam.

Vedci zaznamenali napríklad sezónny posun smerom k južnému Tichému oceánu, ktorý sa prejavuje najmä od augusta do októbra.

Do hry vstupuje presúvanie oceánskej vody, sezónne zmeny na kontinentoch aj topenie a hromadenie ľadu.

Keďže Tichý oceán zaberá obrovskú časť zemského povrchu, aj relatívne malé zmeny v jeho rozložení hmotnosti môžu byť z pohľadu celej planéty významné.

Dokonca aj vzduch dokáže posunúť stred Zeme

Voda a ľad sú intuitívne. Prekvapivejšia je úloha atmosféry.

Vzduch síce pôsobí ľahko, ale atmosféra ako celok má obrovskú hmotnosť. Navyše nie je nad celou planétou rozložená rovnomerne.

Studený vzduch je hustejší než teplý a počas roka sa menia tlakové systémy aj poloha veľkých vzduchových más.

Vedci preto do svojich výpočtov zahrnuli aj meteorologické modely. Tie ukázali sezónne presuny atmosférickej hmoty, ktoré sa pridávajú k účinkom oceánov, snehu a vody na pevnine.

Stred hmotnosti Zeme je teda výsledkom pohybu prakticky celého klimatického systému planéty.

Dôležitú kontrolu poskytujú dve družice

Vedci svoje výpočty porovnávali aj s údajmi misie GRACE Follow-On (GRACE-FO).

Dvojica družíc obieha Zem od roku 2018 a dokáže zaznamenávať veľmi malé zmeny gravitačného poľa. Keď sa napríklad v určitej oblasti nahromadí voda, mierne sa zmení miestna gravitácia a tým aj vzájomný pohyb družíc.

Satelity preto umožňujú sledovať zmeny zásob podzemnej vody, ľadových príkrovov, oceánov či vody na kontinentoch.

Porovnanie novej metódy s nezávislými údajmi GRACE-FO vedcom poskytlo ďalší spôsob, ako preveriť, či ich odhad sezónneho pohybu stredu hmotnosti zodpovedá skutočnému presúvaniu hmoty na Zemi.

Prečo záleží na niekoľkých milimetroch?

Pre bežného človeka sa poloha stredu Zeme meniaca o niekoľko milimetrov môže zdať ako čisto akademická zaujímavosť. Pre modernú geodéziu je však stred hmotnosti Zeme základným referenčným bodom.

Satelity, GPS, meranie pohybu tektonických dosiek, sledovanie zmien hladiny mora či určovanie presnej polohy objektov na povrchu potrebujú mimoriadne stabilný referenčný rámec.

Ak sa pri jeho určovaní pomýlime čo i len o niekoľko milimetrov, chyba sa môže premietnuť do ďalších veľmi presných meraní.

Presnejšie poznanie pohybu stredu hmotnosti môže preto zlepšiť geodetické modely a zároveň pomáha vedcom lepšie sledovať, ako sa voda presúva medzi oceánmi, atmosférou, pevninou, snehom a ľadom.

Výsledok zároveň krásne ukazuje, že Zem nie je statický objekt. Voda, vzduch a ľad sa po jej povrchu neustále presúvajú – a ich spoločná hmotnosť je dostatočne veľká na to, aby počas roka nepatrne posúvala aj samotný stred našej planéty.