Гравитационная вмятина Земли: почему самая глубокая аномалия планеты скрыта в Антарктиде

В общепринятых геодезических моделях самая глубокая гравитационная впадина планеты расположена в Индийском океане. Это так называемый «Индийский геоидный минимум». Только вот новое исследование, опубликованное в январе 2025 года в журнале Scientific Reports, говорит что если исключить из расчетов сплюснутость Земли, вызванную ее вращением, выясняется, что истинный гравитационный полюс планеты — зона минимального потенциала — находится вовсе не в океане, а скрыт под ледяным щитом Антарктиды. Геофизики Петар Глишович и Алессандро Форте реконструировали динамику мантии за последние 70 миллионов лет и доказали, что глубинные процессы под Южным полюсом не только сформировали гравитационный облик Земли, но и заставили планету изменить ось своего вращения.

Земля не является идеальным шаром. Ее форма, определяемая гравитационным полем, называется геоидом. Геоид — это поверхность равного гравитационного потенциала, которая совпадает со средним уровнем моря в спокойном состоянии и условно продолжается под континентами. Если бы Земля была однородной жидкостью, геоид имел бы форму правильного эллипсоида вращения. Но недра планеты неоднородны: в них скрыты зоны повышенной и пониженной плотности, которые искажают гравитационное поле, создавая на карте геоида «холмы» и «впадины».

Традиционно считается, что самая глубокая такая впадина находится к югу от полуострова Индостан. Однако это справедливо лишь при использовании стандартного эллипсоида отсчета (WGS84). Если же применить гидростатический подход — то есть вычесть вклад центробежных сил, возникающих при суточном вращении Земли, — картина меняется. Самая глубокая негидростатическая депрессия геоида смещается к Антарктиде, в район моря Росса и Земли Мэри Бэрд.

Именно эта аномалия отражает истинную динамику недр, очищенную от влияния вращения планеты. Долгое время ее происхождение оставалось предметом дискуссий, но Глишович и Форте смогли объяснить ее природу, построив четырехмерную модель мантийной конвекции.

Реконструкция времени: метод обратного моделирования

Главная проблема геофизики заключается в невозможности прямых наблюдений. Сейсмическая томография — метод, аналогичный медицинскому сканированию, — дает нам детальный трехмерный снимок плотности мантии в текущий момент времени. Мы видим застывшие структуры, но не знаем наверняка, куда они движутся и откуда пришли.

Авторы исследования решили эту проблему, применив метод квазиобратимости в сочетании с техникой Back-and-Forth Nudging. Это сложный вычислительный алгоритм, который позволяет решать уравнения гидродинамики в обратном направлении во времени.

Ученые использовали современные данные о распределении плотности в мантии (модель GyPSuM) как начальное условие. Затем они запустили симуляцию вспять, от настоящего момента до начала кайнозойской эры (70 миллионов лет назад). Это позволило восстановить не гипотетическую, а физически обоснованную историю движения вещества в недрах. Алгоритм учитывал законы сохранения массы, импульса и энергии в сжимаемой, самогравитирующей мантии.

Результаты моделирования показали, что Антарктический минимум геоида не является статичной структурой. На протяжении последних 70 миллионов лет он претерпевал сложные изменения, перемещаясь и пульсируя в такт глубинным процессам.

Анатомия аномалии: конфликт плотности и температуры

Гравитационный профиль Земли формируется взаимодействием двух противоположных процессов в мантии.

Первый — это субдукция. Остывшие и тяжелые океанические литосферные плиты погружаются в мантию в зонах субдукции. Опускаясь, они создают зоны повышенной плотности. В модели Глишовича и Форте отчетливо видны следы древних плит, погрузившихся под Антарктиду еще в мезозое. Эти холодные «кладбища плит» в нижней мантии создают избыток массы.

Второй процесс — апвеллинг, или подъем горячего вещества. Моделирование выявило мощный восходящий поток разогретой мантии непосредственно под морем Росса и Западной Антарктидой. Этот плюм берет начало на границе ядра и мантии (глубина около 2900 км) и поднимается к поверхности.

Главный вывод работы заключается в физической природе гравитационного минимума. Интуитивно может показаться, что восходящий поток должен поднимать земную кору, создавая горы и, следовательно, увеличивая гравитацию. И действительно, этот горячий поток создает так называемую динамическую топографию, приподнимая Восточную Антарктиду. Однако гравитационный эффект от самого горячего вещества работает иначе.

Разогретая порода имеет меньшую плотность, чем окружающая холодная мантия. Этот дефицит плотности в гигантском вертикальном столбе (от 300 до 1300 км глубиной) оказывается настолько значительным, что он перевешивает гравитационный вклад от поднятой поверхности. В результате формируется отрицательная гравитационная аномалия — та самая яма на геоиде.

Глобальный поворот: 50 миллионов лет назад

Самым убедительным доказательством точности построенной модели стало независимое подтверждение через данные палеомагнетизма.

Распределение масс внутри Земли определяет ее тензор инерции. Если внутри вращающегося тела перемещаются значительные массы (как в случае с мантийными потоками), тело стремится изменить ось своего вращения, чтобы сохранить динамическое равновесие. Это явление в геофизике называется Истинным блужданием полюса. Речь идет не о перемещении магнитных полюсов и не о дрейфе литосферных плит, а о физическом повороте всей твердой оболочки Земли относительно оси вращения.

Модель Глишовича и Форте показала, что эволюция мантийных структур под Антарктидой должна была вызвать специфическое смещение полюсов. Согласно расчетам, около 50 миллионов лет назад (в раннем эоцене) траектория движения полюса должна была совершить резкий разворот, напоминающий U-образную петлю.

Когда ученые сравнили это предсказание с независимыми данными палеомагнетизма (записями магнитного поля в древних породах), они обнаружили полное совпадение. Мантийные потоки, реконструированные в модели, в точности объясняют наблюдаемые изменения в положении полюсов. Смещение Антарктического минимума геоида и усиление горячего апвеллинга стали главными драйверами глобальной переориентации планеты в кайнозое.

Тектонический лифт и оледенение

Восходящий поток горячей мантии, выявленный под континентом, действует как гигантский гидравлический механизм. Он создает динамическую поддержку рельефа, удерживая Восточную Антарктиду на значительной высоте. Это открытие проливает свет на загадку гор Гамбурцева — подледного горного хребта в центре континента, происхождение которого долгое время оставалось неясным.

Более того, высокий рельеф является необходимым условием для начала оледенения. Когда около 34 миллионов лет назад климат Земли начал охлаждаться (переход от эоцена к олигоцену), именно высокая топография Антарктиды, поддерживаемая мантийным апвеллингом, стала плацдармом для формирования первого ледяного щита.

Заключение

Работа Глишовича и Форте демонстрирует, что гравитационные карты Земли — это не просто статические данные для навигации, а динамическая летопись планеты. Антарктический минимум геоида — это поверхностное выражение колоссального теплового двигателя, работающего в недрах.

Взаимодействие древних, погрузившихся плит и активных восходящих потоков горячего вещества определяет не только форму нашей планеты, но и ее ориентацию в пространстве. Земля постоянно балансирует себя, реагируя на перераспределение масс в глубине.

Источник:Scientific Reports