تبدو الأرض ثابتة على الصعيد اليومي، لكن توزيع الكتلة على سطحها يتغير باستمرار. مع تغيّر الفصول، يتراكم الثلج في القارات، وتمتلئ أحواض الأنهار بالأمطار ويعود ماء الذوبان والهطول إلى المحيطات. هذه الدورة الطبيعية نفسها يمكن أن تُحرّك مركز كتلة الأرض بالنسبة لجزءها الصلب عدة مليمترات.
تُظهر دراسة جديدة أن نحو ٦٫٣ تريليون طن من الماء سنويًا، ما يعادل ٦٣٠٠ جيغاطن، تُنقل في تبادل موسمي بين القارات والمحيطات. هذه العملية مصحوبة بتذبذب سنوي في مركز كتلة الأرض وتغير موسمي في متوسط مستوى البحار بنحو ١٧٫٣ مليمتر؛ وهو تغيير لا يعني ارتفاعًا دائمًا في مستوى المحيطات، لأن الماء يعاد توزيعه بين اليابسة والبحر خلال دورة السنة.
الثلج والأمطار تحرّكان الأرض عدة مليمترات
هذا التحرك ليس ذا اتجاه ثابت خلال السنة وهو نتيجة تداخل عدة ظواهر موسمية.
في شهر مارس، يصل مقدار الثلج المتراكم في أمريكا الشمالية وأوراسيا إلى ذروته. نقل هذه الكمية الضخمة من الماء من المحيطات إلى اليابسة يتسبب في تحريك مركز كتلة الأرض بنحو ٣ مليمترات نحو الشمال.
بعد شهر، في أبريل، يصل الماء المخزون في حوض الأمازون إلى أقصاه. يتراكم نحو ٢٤٠٠ جيغاطن من الماء في هذه المنطقة ويجذب مركز كتلة الأرض بنحو ٢٫٢ مليمتر نحو أمريكا الجنوبية.
لاحقًا خلال السنة، تضيف أمطار الرياح الموسمية في جنوب شرق آسيا وزيادة كتلة الماء في المحيطات إلى هذا التذبذب. مياه الرياح الموسمية في جنوب شرق آسيا تصل عند ذروتها إلى نحو ٦٠٠ جيغاطن من الكتلة، ويلعب المحيط الهادئ دورًا مهمًا في تغيير توزيع كتلة الأرض في شهور نهاية الصيف.
غلاف الجو الأرضي أيضًا ليس خارج هذه المعادلة تمامًا. التغيرات الموسمية في كتلة الهواء، لا سيما تراكم الهواء البارد والكثيف في الشتاء، يمكن أن تلعب دورًا في تحريك مركز الكتلة؛ وإن كان أثرها يختلف عن أثر تحركات الماء.
لماذا قياس بضعة مليمترات مهم؟
هذه التحركات صغيرة بالمقارنة مع قطر الأرض البالغ نحو ١٢٧٤٢ كيلومتر، لكنها مهمة جدًا لعلم المساحة الجيوديزية. مركز كتلة الأرض هو أحد المراجع الأساسية لتحديد مواقع الأقمار الصناعية بدقة وإنشاء أنظمة مرجعية تُستخدم في المسح والملاحة.
تقليديًا، اعتمد العلماء لتحديد مركز كتلة الأرض على قياس المدى بالليزر للأقمار الصناعية (SLR). يلعب القمران الاصطناعيان الكرويّان LAGEOS-1 وLAGEOS-2 دورًا مهمًا في هذه الطريقة، وبمساعدة نبضات ليزر مرسلة من محطات أرضية تُحدد مواقع مداراتهما بدقة عالية جدًا.
لكن توجد مشكلة مهمة: محطات SLR الأرضية ليست موزعة بالتساوي حول العالم ومعظمها تقع في أوروبا وأمريكا الشمالية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لتغيرات كتلة الماء والجليد والغلاف الجوي أن تُحدث تشوّهًا مرنًا في القشرة الأرضية وبالتالي تحرّك مواضع محطات القياس قليلًا.
مزاوجة GPS والأقمار الصناعية لمزيد من الدقّة
لتقليل هذه القيود، دمج الباحثون بيانات GPS وقياسات الليزر من LAGEOS ومعلومات عدة أقمار صناعية في مدار أرضي منخفض مع نماذج متعلقة بتشوه القشرة الموسمي.
نتائج هذه الطريقة الجديدة كانت متوافقة مع التقديرات السابقة المستندة إلى النظام المرجعي الدولي للأرض وبيانات GRACE والطريقة التقليدية SLR في حدود نحو ٢٫٥ مليمتر؛ وهو ما يؤكد، بحسب الباحثين، متانة هذه التقديرات.
تُظهر هذه الدراسة المنشورة في Geophysical Journal International أن حتى التغيّرات الصغيرة جدًا في توزيع الماء والهواء يمكن أن تكون ذات أهمية لأنظمة القياس الأرضية الدقيقة. مثل هذه البيانات يمكن أن تُساعد في تحسين أنظمة المراجع الجيوديزية والملاحة والمسح وتتبع الأقمار الصناعية، وفي الوقت نفسه تقدم صورة أدق عن كيفية تحرك الماء في الدورة الموسمية للأرض.