ردیابی دقیق مرکز جرم زمین و نوسان فصلی کوچک آن

تصور کنید نقطه‌ای درون سیاره را چنان دقیق ردیابی کنیم که جابه‌جایی‌های سالانه آن کمتر از پهنای یک دانه برنج باشد. این دقیقا همان کاری است که گروهی از ژئودزیست‌ها انجام داده‌اند: آن‌ها مرکز جرم زمین، که با نام ژئوسنتر شناخته می‌شود، را با دقتی کمتر از یک میلی‌متر ردیابی کرده‌اند و دریافته‌اند که نوسان فصلی آن فقط حدود نصف برآوردهای پیشین است.

بسیاری از مردم مرکز جرم را نقطه‌ای ثابت نزدیک هسته زمین تصور می‌کنند. برای کاربردهای روزمره، این تصویر قابل قبول است. اما برای علوم دقیق و ناوبری پیشرفته، چنین برداشتی کافی نیست. ژئوسنتر در طول سال اندکی جابه‌جا می‌شود، زیرا آب و هوا میان اقیانوس‌ها، قاره‌ها و جو بازتوزیع می‌شوند. پوشش برفی، باران‌های موسمی، بارگذاری اقیانوسی و تغییرات فشار جو همگی بر مرکز جرم مؤثر سیاره اثر می‌گذارند و آن را در حد میلی‌متر جابه‌جا می‌کنند.

تلاش برای تعیین دقیق این حرکت از دهه‌ها پیش آغاز شد، زمانی که ناسا در دهه ۱۹۷۰ ماهواره‌های لاگئوس را به کار گرفت. این کره‌های درخشان که با لیزر ردیابی می‌شدند، تحولی مهم به وجود آوردند. آن‌ها به دانشمندان امکان دادند گرانش زمین و به صورت غیرمستقیم ژئوسنتر را اندازه‌گیری کنند. با این حال، روش‌های اولیه برخی اثرات ظریف اما مهم را در نظر نمی‌گرفتند؛ برای نمونه، اینکه وزن افزوده آب چگونه پوسته زمین را خم می‌کند و خود ایستگاه‌های زمینی را جابه‌جا می‌سازد.

پژوهش تازه، که با همکاری پژوهشگرانی از آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا، دانشگاه نوادا، دانشگاه مونتانا و مرکز هلمهولتز آلمان انجام شده است، این مسئله را با داده‌های کامل‌تر و نگاهی دقیق‌تر به رابطه علت و معلولی دوباره بررسی کرد. این تیم با ترکیب ردیابی دقیق جی‌پی‌اس با داده‌های مداری چندین ماهواره مدار پایین زمین و با مدل‌سازی صریح چگونگی بارگذاری توده‌های آب و تغییر شکل پوسته زمین، ثبت شفاف‌تری از حرکت فصلی ژئوسنتر ارائه داد.

نتایج، ریتم‌هایی قابل پیش‌بینی را نشان می‌دهد. هنگامی که برف زمستانی در آمریکای شمالی و اوراسیا انباشته می‌شود، تقریبا حوالی ماه مارس، ژئوسنتر حدود سه میلی‌متر به سوی نیمکره شمالی متمایل می‌شود. در ماه آوریل، زمانی که حوضه آمازون با رواناب فصل بارندگی پُرتر می‌شود، مرکز جرم حدود ۲.۲ میلی‌متر به سمت آمریکای جنوبی جابه‌جا می‌شود. میان اوت و اکتبر نیز آب حاصل از ذوب یخ‌ها و تغییرات جرم اقیانوس‌ها ژئوسنتر را اندکی به سوی اقیانوس آرام می‌رانند و تغییرات جرم جو نیز در این روند نقش دارد.

مدل‌های عددی هواشناسی به روشن شدن نقش جو کمک کردند. مدل مرکز اروپایی پیش‌بینی‌های میان‌مدت هواشناسی نشان می‌دهد جرم جو حوالی ماه ژوئیه به اوج می‌رسد؛ یعنی حدود سه ماه پس از رسیدن آب‌های قاره‌ای به بیشینه خود و سه ماه پیش از بیشینه شدن جرم اقیانوس‌ها. به بیان ساده، هوا و آب به نوبت نقطه تعادل زمین را در جهت‌هایی کوچک، اما قابل اندازه‌گیری، می‌کشند.

یک آزمون مستقل نیز این یافته را تقویت کرد: جابه‌جایی‌های ژئوسنتر که از مدار ماهواره‌ها استنباط شده بود، با بازتوزیعی که مدل‌های ژئوفیزیکی برای جرم‌های جوی، اقیانوسی و آب‌های قاره‌ای پیش‌بینی می‌کردند، همخوانی داشت. نتیجه اصلی این است که دامنه رفت‌وبرگشت سالانه تقریبا نصف مقداری است که دانشمندان هشت سال پیش تصور می‌کردند. به گفته دونالد آرگس، یکی از اعضای تیم پژوهشی، مقدار جرمی که میان نیمکره‌ها جابه‌جا می‌شود کمتر از چیزی است که پیش‌تر تصور می‌شد.

هرچند این حرکت‌ها کوچک‌اند، اما اهمیت زیادی دارند. فناوری‌های نوین به چارچوب‌های مرجع فوق‌دقیق وابسته‌اند. ناوبری ماهواره‌ای، نقشه‌برداری جهانی، مطالعات تکتونیکی و حتی کشاورزی دقیق بر مختصاتی تکیه دارند که به ژئوسنتر دقیق پیوند خورده‌اند. خطاهایی در حد چند میلی‌متر می‌توانند در سامانه‌هایی که به بالاترین سطح دقت نیاز دارند، به اشتباهات مکانی تبدیل شوند.

یکی از هم‌نویسندگان این پژوهش گفت: «ما در جهانی زندگی می‌کنیم که انتظار می‌رود اندازه‌گیری‌های موقعیت کاملا دقیق باشند. شناخت سازوکارهایی که چارچوب‌های مرجع ما را اندکی جابه‌جا می‌کنند، به ما کمک می‌کند چارچوب‌های بهتر و در نتیجه نقشه‌ها، سامانه‌های ناوبری و ابزارهای پایش دقیق‌تری بسازیم.»

این پژوهش در ژورنال بین‌المللی ژئوفیزیک منتشر شده و بازتنظیمی ظریف اما مهم از درک ما درباره این موضوع ارائه می‌دهد که چرخه‌های فصلی زمین چگونه مرکز نامرئی و بنیادینی را که سامانه‌های مختصات سیاره‌ای ما بر آن استوارند، تغییر می‌دهند. وقتی آب و هوا جابه‌جا می‌شوند، ماهواره‌ها، نقشه‌ها و ابزارهای اندازه‌گیری نیز باید از این تغییر پیروی کنند؛ اکنون این حرکت را دقیق‌تر از گذشته می‌شناسیم، شناختی که راه را برای رصدهای دقیق‌تر زمین و ناوبری بهتر برای همه هموار می‌کند.