مرکز جرم زمین در طول سال حرکت می‌کند؛ اندازه‌گیری تازه با دقت کمتر از یک میلی‌متر
مرکز جرم زمین در طول سال حرکت می‌کند؛ اندازه‌گیری تازه با دقت کمتر از یک میلی‌متر
مرکز جرم زمین برخلاف تصور رایج، نقطه‌ای کاملاً ثابت نیست. جابه‌جایی جرم آب، برف، یخ، اقیانوس‌ها و حتی توده‌های موجود در جو باعث می‌شود این نقطه در طول سال اندکی تغییر مکان دهد. پژوهشگران اکنون با استفاده از ترکیب داده‌های ماهواره‌ای و اندازه‌گیری‌های دقیق زمینی توانسته‌اند این حرکت را با دقتی کمتر از یک میلی‌متر بررسی کنند. نتیجه این مطالعه نشان می‌دهد دامنه رفت‌وبرگشت سالانه مرکز جرم زمین تقریباً نصف مقداری است که در برآوردهای پیشین تصور می‌شد.
در نگاه نخست، شاید جابه‌جایی چند میلی‌متری مرکز جرم سیاره موضوعی بسیار جزئی به نظر برسد. با این حال، در علوم زمین، نجوم، نقشه‌برداری و سامانه‌های موقعیت‌یابی، چنین اختلاف‌هایی می‌توانند اهمیت زیادی داشته باشند. بسیاری از اندازه‌گیری‌های مدرن بر پایه یک چارچوب مرجع بسیار دقیق انجام می‌شوند و هر تغییری در موقعیت این چارچوب باید به‌درستی شناخته شود.
مرکز جرم زمین دقیقاً چیست؟
مرکز جرم نقطه‌ای فرضی است که می‌توان در محاسبات، تمام جرم یک جسم را در آن متمرکز در نظر گرفت. در جسمی کاملاً کروی و همگن، این نقطه تقریباً در مرکز هندسی قرار می‌گیرد؛ اما زمین چنین ساختار ساده‌ای ندارد. سیاره ما از مواد مختلفی با چگالی‌های متفاوت ساخته شده و شکل آن نیز کاملاً کروی نیست. افزون بر این، جرم موجود روی سطح و اطراف زمین دائماً در حال جابه‌جایی است.
آب اقیانوس‌ها، رودخانه‌ها، دریاچه‌ها، برف، یخ‌های قاره‌ای و بخار آب موجود در جو همگی بخشی از جرم سیستم زمین هستند. هنگامی که این جرم‌ها از یک منطقه به منطقه‌ای دیگر منتقل می‌شوند، توزیع کلی جرم سیاره نیز تغییر می‌کند. همین تغییر توزیع می‌تواند موقعیت مرکز جرم را اندکی جابه‌جا کند.
حتی سامانه زمین و ماه نیز مرکز جرمی مشترک دارد که «بری‌سنتر» نامیده می‌شود. این نقطه در خارج از مرکز زمین قرار دارد، اما همچنان داخل سیاره و در عمقی حدود ۱۶۰۰ کیلومتر زیر سطح زمین واقع شده است. در نتیجه، مفهوم مرکز جرم را نباید صرفاً به نقطه‌ای ثابت در مرکز هندسی کره زمین محدود کرد.
موقعیت ژئومرکز، یعنی مرکز جرم کل سامانه زمین، برای بسیاری از اندازه‌گیری‌های علمی نقش پایه‌ای دارد. موقعیت نقاط روی سطح زمین، حرکت ماهواره‌ها و تغییرات مربوط به پوسته و اقیانوس‌ها باید در چارچوبی مشخص و دقیق سنجیده شوند. هرچه این چارچوب دقیق‌تر باشد، دانشمندان نیز می‌توانند تغییرات بسیار کوچک را بهتر از داده‌های اندازه‌گیری‌شده استخراج کنند.
چرا ژئومرکز در طول سال جابه‌جا می‌شود؟
مهم‌ترین عامل در جابه‌جایی فصلی مرکز جرم زمین، انتقال جرم میان بخش‌های مختلف سیاره است. با تغییر فصل‌ها، مقدار آب موجود در خشکی‌ها و اقیانوس‌ها تغییر می‌کند و پوشش برف و یخ نیز افزایش یا کاهش می‌یابد. جو زمین هم جرم مشخصی دارد و توزیع آن در طول سال یکسان باقی نمی‌ماند.
برای نمونه، در بخش‌هایی از نیمکره شمالی، در فصل سرد سال مقدار زیادی برف روی خشکی‌ها انباشته می‌شود. این افزایش جرم در یک بخش از سیاره می‌تواند ژئومرکز را به اندازه چند میلی‌متر به سمت همان ناحیه سوق دهد. هنگامی که برف ذوب می‌شود و آب دوباره وارد چرخه طبیعی می‌شود، توزیع جرم تغییر می‌کند و مرکز جرم نیز در جهت دیگری حرکت می‌کند.
بارندگی نیز می‌تواند چنین اثری داشته باشد. باران برای مدتی آب را روی خشکی‌ها ذخیره می‌کند و سپس این آب از طریق رودخانه‌ها، خاک، تبخیر و دیگر مسیرهای چرخه آب جابه‌جا می‌شود. در مقیاس سیاره‌ای، همین انتقال‌های ظاهراً کوچک می‌توانند برای موقعیت ژئومرکز قابل اندازه‌گیری باشند.
در نتیجه، حرکت مرکز جرم زمین را نباید مانند حرکت یک جسم مستقل در فضا تصور کرد. خود سیاره در این فرایند به سمت دیگری منتقل نمی‌شود؛ بلکه توزیع جرم روی زمین تغییر می‌کند و نقطه‌ای که به‌عنوان مرکز جرم تعریف می‌شود، در پاسخ به همین تغییرات اندکی جابه‌جا می‌شود.
برف نیمکره شمالی ژئومرکز را به سمت شمال می‌برد
یکی از نمونه‌های قابل توجه این پدیده در حوالی ماه مارس رخ می‌دهد. در این زمان، انباشت برف در بخش‌هایی از آمریکای شمالی و اوراسیا باعث افزایش جرم در نیمکره شمالی می‌شود. پژوهش‌ها نشان می‌دهد این تغییر می‌تواند ژئومرکز را حدود ۳ میلی‌متر به سمت قطب شمال جابه‌جا کند.
این مقدار شاید در مقیاس روزمره قابل تشخیص نباشد، اما برای سامانه‌های ژئودزی که موقعیت نقاط زمین را با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری می‌کنند، چند میلی‌متر نیز اهمیت دارد. هدف پژوهشگران دقیقاً همین است که چنین تغییرات کوچکی را از میان مجموعه بزرگی از داده‌ها شناسایی کنند.
چند هفته بعد، شرایط می‌تواند تغییر کند. در ماه آوریل، انباشت آب حاصل از بارندگی در حوضه آمازون می‌تواند اثر دیگری بر توزیع جرم داشته باشد. بر اساس نتایج مطالعه، این فرایند ژئومرکز را حدود ۲٫۲ میلی‌متر به سمت آمریکای جنوبی جابه‌جا می‌کند.
بنابراین، مرکز جرم زمین در طول سال مسیری بسیار کوچک اما قابل اندازه‌گیری را طی می‌کند. جهت این حرکت نیز همیشه یکسان نیست و به محل تجمع یا از دست رفتن جرم در نقاط مختلف سیاره بستگی دارد.
باران‌های موسمی و آب اقیانوس‌ها چه نقشی دارند؟
بارش‌های موسمی نیز در تغییر موقعیت ژئومرکز نقش دارند. در فصل‌های بارندگی، حجم قابل توجهی آب در برخی مناطق قاره‌ای جمع می‌شود. بخشی از این آب در خاک و پوشش گیاهی باقی می‌ماند، بخشی وارد رودخانه‌ها و دریاچه‌ها می‌شود و بخشی نیز پس از مدتی به اقیانوس‌ها بازمی‌گردد.
از سوی دیگر، اقیانوس‌ها بزرگ‌ترین مخزن آب سطحی زمین هستند و تغییرات جرم آنها می‌تواند اثر قابل توجهی بر موقعیت مرکز جرم داشته باشد. بین ماه‌های اوت و اکتبر، تغییرات مربوط به آب اقیانوس‌ها، از جمله آب ناشی از ذوب یخ‌ها، می‌تواند ژئومرکز را در جهت اقیانوس آرام جابه‌جا کند.
اثر اقیانوس‌ها تنها به یک منطقه محدود نمی‌شود. تغییرات هم‌زمان در چند حوضه اقیانوسی می‌تواند بخشی از اثر یکدیگر را خنثی کند. به همین دلیل، برای تعیین دقیق حرکت ژئومرکز نمی‌توان فقط یک منطقه یا یک نوع مخزن آب را بررسی کرد. پژوهشگران باید مجموعه‌ای از تغییرات آب‌های قاره‌ای، اقیانوسی و جوی را به‌صورت هم‌زمان در نظر بگیرند.
جرم جو هم در حرکت مرکز زمین اثر دارد
ممکن است تصور شود جو به دلیل چگالی پایین، در مقایسه با اقیانوس‌ها و یخ‌ها نقش چندانی در این موضوع ندارد؛ اما زمانی که هدف اندازه‌گیری تغییرات در مقیاس میلی‌متر باشد، حتی تغییرات جرم جو نیز اهمیت پیدا می‌کند.
مدل مرکز اروپایی پیش‌بینی وضع هوا در میان‌مدت نشان می‌دهد که جابه‌جایی جرم جو میان دو نیمکره می‌تواند سهم قابل توجهی در تغییر موقعیت ژئومرکز داشته باشد. بر اساس این مدل، بیشترین مقدار جرم جو در ماه ژوئیه مشاهده می‌شود. این زمان حدود سه ماه پس از بیشینه جرم آب قاره‌ای و سه ماه پیش از رسیدن جرم آب اقیانوس‌ها به بیشترین مقدار خود است.
این اختلاف زمانی میان اوج‌های مختلف نشان می‌دهد چرخه آب در زمین بسیار پیچیده‌تر از یک تغییر ساده فصلی است. آب و جرم میان جو، خشکی و اقیانوس‌ها دائماً در گردش هستند و هر بخش از این چرخه می‌تواند در تعیین موقعیت ژئومرکز سهمی هرچند کوچک داشته باشد.
ماهواره‌ها چگونه مرکز جرم زمین را اندازه می‌گیرند؟
برای اندازه‌گیری چنین تغییرات ظریفی، پژوهشگران به ابزارهایی با دقت بسیار بالا نیاز دارند. یکی از نخستین گام‌های مهم در این زمینه در سال ۱۹۷۶ با پرتاب ماهواره LAGEOS I ناسا برداشته شد.
این ماهواره حدود ۶۱ سانتی‌متر قطر و نزدیک به ۴۰۸ کیلوگرم وزن داشت و در مداری قرار گرفت که آن را تقریباً از قطب به قطب زمین می‌برد. سطح آن به‌گونه‌ای طراحی شده بود که پرتوهای لیزری ارسال‌شده از ایستگاه‌های زمینی را بازتاب دهد.
ایستگاه‌های زمینی می‌توانستند با ارسال پالس‌های لیزری و دریافت بازتاب آنها، فاصله میان خود و ماهواره را با دقت بسیار زیادی اندازه‌گیری کنند. ماهواره‌های LAGEOS 1 و LAGEOS 2 و شبکه ایستگاه‌های زمینی در حدود ۲۰ کشور، داده‌های ارزشمندی برای بررسی موقعیت زمین و تغییرات آن فراهم کردند.
از این اندازه‌گیری‌ها برای تعیین ژئومرکز استفاده شد؛ اما روش‌های اولیه همه عوامل مؤثر بر نتیجه را به‌طور کامل در نظر نمی‌گرفتند. یکی از مشکلات این بود که تغییر جرم آب می‌تواند خود پوسته زمین و موقعیت ایستگاه‌های اندازه‌گیری را نیز اندکی تغییر دهد.
یک مشکل مهم در اندازه‌گیری‌های زمینی
وقتی دانشمندان می‌خواهند موقعیت مرکز جرم زمین را از سطح سیاره تعیین کنند، فرض می‌کنند ایستگاه‌های زمینی موقعیتی مشخص دارند. اما زمین جسمی کاملاً صلب نیست. فشار ناشی از آب، تغییرات سطحی و نیروهای طبیعی می‌تواند باعث تغییر شکل بسیار جزئی پوسته شود.
برای مثال، هنگامی که مقدار زیادی آب روی یک منطقه جمع می‌شود، وزن آن فشار بیشتری بر سطح زمین وارد می‌کند. این فشار می‌تواند پوسته را اندکی تغییر شکل دهد. بنابراین اگر این اثر در محاسبات لحاظ نشود، بخشی از حرکتی که در داده‌های اندازه‌گیری‌شده دیده می‌شود ممکن است به اشتباه به ژئومرکز نسبت داده شود.
پژوهشگران مطالعه جدید تلاش کردند این اثرات را نیز در مدل‌های خود وارد کنند. تیم تحقیقاتی شامل دانشمندانی از آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا، دانشگاه نوادا، دانشگاه مونتانا و مرکز هلمهولتز برای علوم زمین در آلمان بود.
آنها داده‌های دقیق GPS را با اطلاعات مداری چند ماهواره دیگر در مدار پایین زمین ترکیب کردند. چنین رویکردی به دانشمندان اجازه داد حرکت ژئومرکز را در طول سال با جزئیات بیشتری بررسی کنند و عوامل مختلف مؤثر بر آن را از یکدیگر تفکیک کنند.
نتیجه جدید با برآوردهای گذشته تفاوت دارد
یکی از مهم‌ترین نتایج این پژوهش، کاهش برآورد اندازه حرکت سالانه ژئومرکز بود. داده‌های تازه نشان می‌دهد جابه‌جایی رفت‌وبرگشتی مرکز جرم زمین تقریباً نصف چیزی است که پژوهشگران حدود هشت سال پیش تصور می‌کردند.
دونالد آرگوس، یکی از اعضای تیم تحقیق، می‌گوید اکنون برآورد می‌شود میزان حرکت رفت‌وبرگشتی مرکز جرم در طول هر سال تقریباً نصف مقدار برآوردشده قبلی باشد. این نتیجه همچنین نشان می‌دهد میزان آبی که در چرخه فصلی میان دو نیمکره جابه‌جا می‌شود، کمتر از چیزی بوده که پیش‌تر تصور می‌شد.
این تفاوت به معنای اشتباه بودن کامل اندازه‌گیری‌های قدیمی نیست. روش‌های جدید داده‌های بیشتری را در اختیار دانشمندان قرار داده‌اند و برخی اثرهای فیزیکی که پیش‌تر به‌طور کامل لحاظ نمی‌شدند، اکنون بهتر در محاسبات وارد شده‌اند. بنابراین می‌توان نتیجه جدید را بخشی از روند طولانی‌تر افزایش دقت در علم ژئودزی دانست.
یک بررسی مستقل نیز نتیجه را تأیید کرد
پژوهشگران برای اطمینان بیشتر از نتیجه خود، یک آزمون مستقل انجام دادند. آنها برآوردهای مرکز جرم را که از تعیین دقیق مدار ماهواره‌ها به دست آمده بود، با تغییرات جرم جو، اقیانوس‌ها و آب‌های قاره‌ای در مدل‌های ژئوفیزیکی مقایسه کردند.
نتیجه نشان داد میان این دو مجموعه داده سازگاری زیادی وجود دارد. چنین تطابقی اهمیت دارد، زیرا نشان می‌دهد حرکت اندازه‌گیری‌شده ژئومرکز با آنچه مدل‌های فیزیکی درباره جابه‌جایی جرم روی زمین پیش‌بینی می‌کنند، همخوانی دارد.
در واقع، پژوهشگران با استفاده از دو مسیر متفاوت به بررسی یک پدیده واحد پرداختند: از یک طرف، حرکت ماهواره‌ها و داده‌های GPS را مشاهده کردند و از طرف دیگر، تغییرات جرم موجود در جو، اقیانوس‌ها و خشکی‌ها را مدل‌سازی کردند. نزدیک بودن نتایج این دو روش، اعتماد به برآورد جدید را افزایش می‌دهد.
چرا اندازه‌گیری کمتر از یک میلی‌متر اهمیت دارد؟
شاید جابه‌جایی چند میلی‌متری برای زندگی روزمره انسان هیچ اهمیتی نداشته باشد، اما بسیاری از فناوری‌های مدرن بر اندازه‌گیری دقیق موقعیت تکیه دارند. سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای، نقشه‌برداری دقیق، پایش تغییرات سطح دریا و بسیاری از تحقیقات زمین‌شناسی به یک چارچوب مرجع بسیار دقیق نیازمند هستند.
فلیکس لندرر، یکی از نویسندگان پژوهش، تأکید کرده است که دنیای امروزی به اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق موقعیت وابسته است. شناخت عواملی که باعث تغییر چارچوب‌های مرجع می‌شوند، می‌تواند به ایجاد چارچوب‌های دقیق‌تر کمک کند.
این موضوع در کاربردهایی مانند حمل‌ونقل جهانی و کشاورزی دقیق اهمیت دارد. برای نمونه، هنگامی که یک سامانه ناوبری باید موقعیت یک وسیله نقلیه یا تجهیزات کشاورزی را با دقت بالا تعیین کند، خطاهای بسیار کوچک در چارچوب مرجع نیز می‌توانند در اندازه‌گیری نهایی اثر بگذارند.
البته نباید انتظار داشت جابه‌جایی چند میلی‌متری ژئومرکز مستقیماً باعث ایجاد خطای محسوس در تلفن همراه یا خودرو شود. اهمیت این تغییرات بیشتر در سطح علمی و زیرساختی است؛ یعنی جایی که پژوهشگران و سامانه‌های تخصصی به موقعیت‌های بسیار دقیق و قابل مقایسه در طول زمان نیاز دارند.
ژئودزی؛ علم اندازه‌گیری دقیق زمین
مطالعه مرکز جرم زمین بخشی از حوزه گسترده ژئودزی است؛ علمی که شکل، ابعاد، میدان گرانشی و تغییرات موقعیت زمین را بررسی می‌کند. ژئودزی مدرن فقط به اندازه‌گیری فاصله میان دو نقطه روی سطح زمین محدود نیست و از ماهواره‌ها، لیزر، GPS و مدل‌های پیچیده برای ترسیم تغییرات سیاره استفاده می‌کند.
این دانش در مطالعه پدیده‌هایی مانند تغییرات سطح دریا، زمین‌لرزه‌ها و فعالیت‌های آتشفشانی نیز کاربرد دارد. همچنین تغییرات پوسته زمین پس از عقب‌نشینی صفحات یخی در پایان آخرین عصر یخبندان را می‌توان با اندازه‌گیری‌های دقیق ژئودزی بررسی کرد.
در چنین مطالعاتی، حتی تفاوت‌های بسیار کوچک اهمیت دارند. اگر چارچوب مرجع به اندازه کافی دقیق نباشد، ممکن است بخشی از تغییر واقعی زمین با خطای اندازه‌گیری اشتباه گرفته شود. به همین دلیل، شناخت دقیق حرکت ژئومرکز یکی از اجزای مهم برای بهبود اندازه‌گیری‌های مربوط به سیاره ما محسوب می‌شود.
زمین دائماً در حال تغییر است
تصویر زمین به‌عنوان یک کره ثابت و بی‌حرکت، بیشتر یک ساده‌سازی آموزشی است. در واقع، سیاره ما دائماً در حال تغییر است. صفحات زمین‌ساختی حرکت می‌کنند، یخ‌ها ذوب یا انباشته می‌شوند، اقیانوس‌ها گرم و سرد می‌شوند، آب میان خشکی و دریا جابه‌جا می‌شود و جو نیز در پاسخ به فصل‌ها تغییر می‌کند.
همه این فرایندها می‌توانند توزیع جرم را تغییر دهند. بسیاری از این تغییرات آن‌قدر کوچک هستند که انسان در زندگی روزمره متوجه آنها نمی‌شود، اما ابزارهای علمی امروزی توانایی آشکار کردن آنها را دارند.
پژوهش جدید درباره ژئومرکز نیز نمونه‌ای از همین توانایی است. دانشمندان با ترکیب داده‌های ماهواره‌ای، GPS و مدل‌های ژئوفیزیکی توانسته‌اند حرکتی را بررسی کنند که دامنه آن تنها چند میلی‌متر است و اکنون برآورد دقیق‌تری از میزان واقعی این جابه‌جایی در اختیار دارند.
در نهایت، یافته اصلی این پژوهش فقط این نیست که مرکز جرم زمین در طول سال حرکت می‌کند؛ بلکه نشان می‌دهد این حرکت کمتر از برآوردهای قبلی است. تغییرات فصلی آب، برف، یخ و جو همچنان ژئومرکز را جابه‌جا می‌کنند، اما اندازه این حرکت به حدود نیمی از مقداری می‌رسد که پیش‌تر تصور می‌شد.
این نتایج درک دقیق‌تری از نحوه توزیع جرم روی سیاره فراهم می‌کنند و می‌توانند به بهبود چارچوب‌های مرجع زمین کمک کنند. با افزایش دقت ابزارهای اندازه‌گیری، دانشمندان قادر خواهند بود تغییرات کوچک‌تری را نیز از رفتار پیچیده زمین استخراج کنند؛ تغییراتی که شاید برای چشم انسان نامرئی باشند، اما برای شناخت دقیق سیاره و فناوری‌های وابسته به موقعیت، اهمیت زیادی دارند.
پژوهش مربوط به این یافته در نشریه Geophysical Journal International منتشر شده است.
https://farcoland.com/KL0MVH
کپی آدرس
