سرعة دوران الأرض ليست ثابتة. طول اليوم يمكن أن يتغير قليلاً على مقاييس زمنية مختلفة والعلماء يعلمون منذ زمن أن عوامل متنوعة تلعب دورًا في هذه التغيرات. التغيرات قصيرة الأمد عادةً ما ترتبط بتحريك الكتلة والزخم الزاوي بين الغلاف الجوي والمحيطات والأرض، بينما تظهر تأثيرات مد القمر على مقاييس زمنية أطول بكثير.
لكن التغيرات التي تحدث على مدى عدة عقود ظلت لفترة طويلة واحدة من الألغاز الرئيسية في الجيوفيزياء. تظهر الأبحاث الجديدة أن إجابة هذا اللغز يجب أن تُبحث ليس على سطح الأرض، بل على بعد آلاف الكيلومترات تحتها، في التفاعل بين النواة والغطاء.
ثلاث قوى مشاركة في دوران الأرض
فحص الباحثون لشرح تغيرات طول اليوم على مدى عدة عقود ثلاثة آليات رئيسية: الاقتران الجاذبي، الاقتران الكهرومغناطيسي والاقتران الطبوغرافي.
الاقتران الجاذبي يتعلق بالتفاعل بين النواة الداخلية والغطاء. تغيير شكل وحركة النواة الداخلية يمكن أن يولد عزمًا جاذبيًا ويتسبب في نقل الزخم الزاوي بين أجزاء الأرض المختلفة.
الاقتران الكهرومغناطيسي يتعلق أيضًا بتفاعل المجال المغناطيسي والتيارات الموجودة في النواة مع الطبقات الموصلة القريبة من حد النواة والغطاء. بالمقابل، الاقتران الطبوغرافي يرتبط بالخشونة والبُنى الموجودة على الحد بين النواة والغطاء.
تُظهر نماذج الباحثين أن هذه الآليات الثلاث في صراع دائم، لكن مساهمتها ليست متساوية. العزم الجاذبي يلعب الدور الأكبر في إحداث تغيرات طول اليوم على مدى عدة عقود، في حين تقاوم التأثيرات الكهرومغناطيسية والطبوغرافية ذلك إلى حد ما.
لماذا تدور الأرض أحيانًا أسرع وأحيانًا أبطأ؟
يمكن اعتبار الأرض مجموعة من الأجزاء المتفاعلة التي لا تتحرك جميعها بالضرورة بنفس السرعة. النواة الداخلية، النواة الخارجية، الغطاء والقشرة يمكن أن يتبادلون الزخم الزاوي فيما بينهم.
في النموذج الجديد، تغيرات حركة النواة الداخلية تؤدي إلى توليد عزم جاذبي. ثم يؤثر هذا العزم عبر التفاعل بين النواة والغطاء على سرعة دوران الأجزاء الخارجية من الأرض.
لفحص هذه المسألة، جمع الباحثون إعادة بناء زلزالية للدوران النسبي للنواة الداخلية وبيانات تتعلق بتدفقات النواة معًا. ثم قارنوا تاريخ العزوم المختلفة مع التغيرات الملاحظة في طول اليوم. أظهرت النتائج أن العزم الجاذبي يمكن أن يفسر الجزء الأكبر من التغيرات الملاحظة على مدى عدة عقود.
تغيرات صغيرة جدًا، لكن ذات قيمة علمية
هذه التغيرات تكاد تكون غير محسوسة في نطاق الحياة اليومية. طول اليوم يتغير فقط بمقدار بضع آلاف من الثانية، لكن هذا التغير الصغير مهم جدًا للعلماء؛ لأنه يمكن أن يوفر معلومات عن بنية والعمليات الفيزيائية في أعماق الأرض.
تتجاوز الدراسة الجديدة مجرد تفسير تغيرات سرعة دوران الأرض. النموذج المقترح يتوافق مع خصائص من بنية الغطاء السفلي، بما في ذلك وجود مناطق ذات كثافة قريبة من الحياد وطبقة عالية التوصيل بالقرب من قاعدة الغطاء. وتشير النتائج أيضًا إلى نواة داخلية ذات لزوجة نسبية منخفضة وقدرة على التشكل على مدى سنوات عدة.
لماذا معرفة سرعة دوران الأرض مهمة؟
تغيرات دوران الأرض ليست مسألة نظرية فحسب. القياس الدقيق لطول اليوم وحركة الأرض مهم لأنظمة التوقيت، النماذج الجيوفيزيائية وفهم سلوك الكوكب. من ناحية أخرى، يمكن لتغيرات الدوران أن تساعد العلماء على فحص أجزاء من باطن الأرض التي لا يمكن الوصول إليها مباشرة عمليًا.
في الواقع، لا يستطيع علماء الأرض الوصول مباشرة إلى نواة الأرض. لذلك تعمل بيانات مثل الموجات الزلزالية، المجال المغناطيسي والتغيرات الصغيرة جدًا في سرعة دوران الكوكب كأدوات غير مباشرة لدراسة أعماق الأرض.
تُظهر هذه الدراسة أن حتى تغييرًا بمقدار عدة آلاف من الثانية في طول اليوم يمكن أن يكون دليلًا على عمليات تحدث على بعد آلاف الكيلومترات تحت سطح الأرض.