Ученые NASA устранили ошибку спутников: центр массы Земли смещается вдвое меньше

Двадцать лет в геофизике существовало расхождение, которое ставило под сомнение точность всей системы космических измерений Земли. Спутниковые лазерные дальномеры показывали, что центр фигуры планеты смещается относительно центра масс на 11 миллиметров в год. Спутники гравитационной разведки GRACE фиксировали всего 4,2 миллиметра. Разница более чем в два с половиной раза означала: либо одна из групп приборов ошибается, либо между полушариями ежегодно перемещается объем воды, который не замечают ни климатические, ни гидрологические модели.

Причина расхождения оказалась методологической. Геодезисты не могут измерить координаты каждого квадратного километра поверхности напрямую, поэтому центр фигуры вычисляли как среднюю точку расположения наземных лазерных станций. Но более половины этих станций сосредоточено в Западной Европе и Северной Америке. Зимой на эти регионы ложится снег, растет атмосферное давление, и земная кора прогибается вниз на 5–15 миллиметров под весом воды и воздуха. Приборы честно фиксировали проседание грунта, но математическая модель воспринимала синхронное опускание станций как сдвиг геометрического центра всей планеты к Южному полюсу.

Исследовательская группа из Лаборатории реактивного движения NASA совместно с учеными из университетов Невады и Монтаны, а также Немецкого исследовательского центра геонаук разработала алгоритм eCF — elastic-corrected Center of Figure. Схема проста по логике и сложна по исполнению: для каждой станции день за днем рассчитывается локальная нагрузка от снега, грунтовых вод, атмосферного давления и океанических течений, а затем вычисленная величина прогиба вычитается из фактических координат. После удаления локальных деформаций любая станция — в Альпах или в австралийской пустыне — начинает показывать одинаковое глобальное смещение. Необходимость в идеально равномерной сети отпадает.

Результаты четырех независимых наборов данных — новой лазерной оценки, комбинированных спутниковых измерений GPS и низкоорбитальных аппаратов, международной координатной модели ITRF2020 и гравиметрических карт GRACE — сошлись с точностью до 2,5 миллиметра по всем трем пространственным координатам. Противоречие закрыто.

Исправленная модель позволила точно разложить сезонное перераспределение массы по осям. Ежегодно между континентами и океаном перемещается 6300 миллиардов тонн воды, вызывая колебание среднего уровня Мирового океана с размахом 17,3 миллиметра. По оси Север — Юг амплитуда составляет 4,2 миллиметра: в феврале — марте снежный покров Евразии и Северной Америки концентрирует около 3600 миллиардов тонн воды, смещая центр тяжести к северу на 3,3 миллиметра, а к октябрю талые воды через речные системы уходят в океан, и маятник качнется на юг.

Самое мощное смещение — 6 миллиметров — происходит вдоль экваториальной оси Y. В апреле сезон тропических ливней удерживает до 2400 миллиардов тонн воды в бассейне Амазонки, отклоняя центр тяжести к Южной Америке на 2,2 миллиметра. Спустя пять месяцев азиатские муссоны приносят около 600 миллиардов тонн в бассейны Ганга, Брахмапутры и Меконга, разворачивая вектор в противоположную сторону. По оси X, проходящей через Атлантику и Тихий океан, амплитуда составляет 3,2 миллиметра, и здесь решающую роль играют океанические процессы: в августе скопление воды в Тихом океане перетягивает центр массы системы в свою сторону.

Миллиметровая точность нужна не ради академического упражнения. Начало координат Международной земной опорной системы ITRF привязано именно к центру массы Земли. К этой точке жестко прикреплены орбиты навигационных спутников GPS, ГЛОНАСС и Galileo, траектории научных аппаратов, а также спутниковые альтиметры, измеряющие высоту морской поверхности. Сегодня уровень Мирового океана поднимается примерно на 3,5 миллиметра в год. Чтобы надежно отделять реальный подъем воды от погрешностей самих космических аппаратов, опорная система координат должна обладать точностью выше одного миллиметра за десятилетие. Если начало отсчета колеблется с неучтенной ошибкой в 5–7 миллиметров, климатические модели получают системные искажения: альтиметры показывают ложный подъем уровня океана в одном регионе и ложное падение в другом.

Аналогичные проблемы возникали при оценке скорости таяния ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды, где скальное основание под ледниками движется вертикально на несколько миллиметров в год. Работа исследовательской группы доказала: показания гравиметров, лазерных дальномеров и геодезических приемников согласуются между собой. Твердая кора планеты реагирует на перераспределение воды и воздуха строго по законам механики деформируемого твердого тела. Учет этой реакции позволил создать устойчивую систему координат — инструмент, без которого контроль глобальных природных процессов превращается в измерение линейкой по резиновому столу.