Интернациональная исследовательская группа подтвердила: Земля — действительно маленький мир.
Со времен Чарльза Дарвина учёные подозревали, что наша планета способна расширяться и сжиматься. Затем была разработана теория тектоники плит, которая объяснила крупномасштабные движения литосферы Земли, но, несмотря на то что с тех пор прошло более полувека, некоторые продолжают верить в расширение и сжатие на различных научных основаниях.
Нынешнее исследование должно положить конец этим спекуляциям. Космические измерения и новая методика обработки данных не обнаружили статистически значимого расширения твёрдой части Земли.
Казалось бы, нет ничего странного в том, что форма Земли постоянно меняется. Тектонические силы (землетрясения, извержения вулканов) поднимают горы всё выше, а эрозия и оползни разрушают их. Кроме того, крупномасштабные климатические явления (например, Эль-Ниньо и Ла-Нинья) перераспределяют огромные массы воды между океаном, атмосферой и сушей.
Зачем же учёным надо точно знать, существует ли расширение и сжатие? Дело в том, что, говоря о движении земной коры в надлежащем контексте, специалисты нуждаются в системе отсчёта. Любое значительное изменение радиуса Земли изменит наше понимание физических процессов на планете и будет иметь фундаментальное значение для геодезии.
Поэтому мировое научное сообщество установило Международную наземную систему отсчёта. Она используется не только для наземной навигации, но и для отслеживания космических аппаратов на орбите Земли. Кроме того, она применяется для мониторинга многих аспектов глобального изменения климата, включая повышение уровня моря, дисбаланс массы льда на полюсах Земли и поднятие земной поверхности в результате отступления массивных ледников, которые покрывали бóльшую часть планеты в течение последнего Ледникового периода.
Размер Земли и его изменения можно измерить следующими методами.
Во-первых, это спутниковая лазерная телеметрия (satellite laser ranging) — глобальная сеть станций наблюдения, способная с миллиметровым разрешением определить время, с которым ультракороткие импульсы света проходят путь от наземных станций до спутников, оборудованных специальными световозвращающими отражателями, и обратно.
Во-вторых, есть интерферометрия со сверхдлинной базой (very-long baseline interferometry) — радиоастрономическая технология, подразумевающая одновременное наблюдение объекта несколькими телескопами для имитации работы одного большого телескопа.
В-третьих, используется система глобального позиционирования (Global Positioning System) — американская сеть спутников и наземных станций, которая даёт пользователям всего мира информацию о точном местонахождении и времени.
В-четвёртых, существует доплеровская орбитография и интегрированная радиолокационная спутниковая система (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) — французский проект, направленный на определение спутниковых орбит и позиционирование. Земные маячки излучают радиосигналы, спутники их получают. Движение спутников вызывает сдвиг частоты сигнала, по которому можно определить местоположение и др.
Все эти методы используются в интересах Международной наземной системы отсчёта. Центральное место в ней занимает нулевая точка: точное местоположение среднего центра масс всей системы Земли (сочетание твёрдой оболочки планеты, океана, льда и атмосферы). Нынешняя нулевая точка определена по итогам четвертьвековых лазерных измерений с помощью спутников.
Но точность спутниковой лазерной телеметрии и прочих вышеназванных технологий страдает от влияния различных процессов, происходящих на Земле, а также из-за ограниченного поля наблюдений. Представьте себе: если бы все станции GPS находились в Норвегии, они указали бы на то, что Земля растёт, потому что в высоких широтах поверхность планеты поднимается в ответ на исчезновение тяжёлых ледников. Так насколько мы можем быть уверены в точности получаемых данных?
На этот вопрос попыталась ответить международная группа учёных во главе с У Сяопином из Лаборатории реактивного движения НАСА. В исследовании приняли участие сотрудники Национального института географии (Франция) и Делфтского технологического университета (Нидерланды).
Команда воспользовалась новой методикой обработки данных для оценки скорости изменения среднего радиуса твёрдой Земли в течение длительного времени, принимая во внимание эффекты других геофизических процессов. Вышеназванные геодезические методы были использованы для получения данных о движении земной поверхности в тщательно отобранных местах. Эти данные были затем объединены с результатами измерений гравитации Земли космическим аппаратом GRACE и показателями моделей давления на дне океана.
Результат? Среднее изменение радиуса Земли составляет 0,1 мм в год (около толщины человеческого волоса). Такой показатель не считается статистически значимым.
Результаты исследования опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.