Dokładniejsze mierzenie i dogłębne zrozumienie ruchów Ziemi
Globalne systemy nawigacji satelitarnej (ang. global navigation satellite system, GNSS), takie jak GPS, odbierają sygnały wysyłane przez satelity, aby dostarczać precyzyjnych danych dotyczących lokalizacji. Odbiorniki o stałej względem Ziemi pozycji i obracające się wraz z nią śledzą sygnały z satelitów poruszających się w przestrzeni kosmicznej. Aby wykonać precyzyjne pomiary, należy wiedzieć, jak względem nich przemieszcza się Ziemia. W ramach projektu RotaNut prowadzonego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych udało się stworzyć model nutacji Ziemi o dokładności do kilku milimetrów, dostarczając tym samym informacji, które mogą zwiększyć dokładność narzędzi opartych na zegarach atomowych i GPS. Narzędzia takie opierają się na dwóch układach odniesienia: układzie ziemskim, stałym względem Ziemi i obracającym się synchronicznie z planetą, oraz nieruchomym układzie niebieskim, w którym poruszają się sztuczne satelity, takie jak satelity GPS. Jak wyjaśnia główna badaczka Véronique Dehant: „Opisanie zależności między tymi układami odniesienia komplikuje fakt, że obrót i położenie Ziemi są nieregularne, co jest wywołane przez globalne redystrybucje masy w czasie i zewnętrzne siły, takie jak grawitacyjne przyciąganie Słońca i Księżyca”. Projekt RotaNut miał na celu poprawę modelowania obrotu Ziemi oraz dokładniejsze zrozumienie roli i natury wnętrza Ziemi. „W obecnych modelach nie uwzględnia się w pełni złożoności Ziemi. Wpływ atmosfery oraz wód na położenie Ziemi nie są w nich odpowiednio odwzorowane. Dodatkowo mechanizmy sprzęgające na granicach między jądrem wewnętrznym, płynnym jądrem zewnętrznym i płaszczem nie zostały jeszcze na tyle dobrze zbadane, by można było uwzględnić je w modelach”, dodaje Dehant.
Małe zmiany, duży wpływ
Jak wynika z obserwacji z przestrzeni kosmicznej, w płaszczyźnie stycznej do bieguna oś obrotu Ziemi porusza się w przestrzeni ruchem precesyjnym z prędkością 1,5 kilometra rocznie z okresowymi wahaniami do 600 metrów. Obecne obserwacje kwazarów z anten stacjonarnych na Ziemi przy użyciu interferometrii wielkobazowej pozwalają naukowcom zmierzyć je z dokładnością do centymetra. Precesja odnosi się do długoterminowych tendencji ruchu osi wirowania, a nutacja – do krótkoterminowych zmian okresowych. Badacze z projektu RotaNut koncentrowali się na ruchu nutacyjnym. Poprzez pomiar nutacji z milimetrową dokładnością naukowcy mogą określić, jakie elementy fizyki wnętrza Ziemi należy uwzględnić przy modelowaniu położenia planety. Obejmują one mechanizmy sprzęgające na granicy między płynnym jądrem a lepkosprężystym płaszczem.
Odkrywanie zjawisk w jądrze Ziemi
Dehant, która przeprowadziła swoje badania w Observatoire royal de Belgique, uważa, że jest to niezwykle ciekawy czas na pracę w tej dziedzinie. „Postęp technologiczny umożliwia geodetom i geofizykom zidentyfikowanie przyczyn i wielkości zmian położenia Ziemi”. Naukowcy wykazali, że aby dokładnie opisać położenie Ziemi, należy wziąć pod uwagę dynamikę płynnego jądra zewnętrznego. „W badania nutacji wewnątrz jądra istotne jest uwzględnienie oscylacji inercyjnych w rotujących płynach w połączeniu z obrotowymi ruchami globalnymi”, mówi Dehant. Zespół projektu RotaNut korzystał z w pełni sprzężonego modelu płaszcz-jądro i przeanalizował zjawiska na granicy płaszcza i jądra zewnętrznego wynikające z obserwacji dotyczących nutacji. „Wyniki naszych badań są ważne. Pozwalają nam lepiej opisać, co dzieje się w jądrze, podczas modelowania nutacji. Jestem bardzo zadowolona z tego, co udało się osiągnąć w ramach projektu, ponieważ ruchy i rozpraszanie energii w jądrze mogłyby wyjaśnić nasze obserwacje”. Wyniki badań są dostępne na stronie internetowej projektu RotaNut.
Słowa kluczowe
RotaNut, GPS, oś obrotu, precesja, położenie, nutacja, GNSS
