Co je to gravitační díra? Vysvětlení slabého místa Antarktidy

Gravitace Země není konstantní

Většina z nás se učila, že gravitace je stálá, rovnoměrná síla, která vše táhne k zemi. Ve skutečnosti se liší po celém povrchu planety. Tam, kde je hornina pod kůrou hustá, gravitace táhne o něco silněji. Tam, kde je lehčí nebo chybí, gravitace slábne. Vědci tyto odchylky nazývají gravitační anomálie a nejextrémnější příklad na Zemi se nachází přímo pod Antarktidou.

Co je to gravitační díra?

Gravitační díra – formálně nazývaná geoidní minimum – je oblast, kde je gravitační tah Země měřitelně slabší než celosvětový průměr. Abyste to pochopili, musíte vědět, co je to geoid: tvar, který by měl povrch oceánu, kdyby byly zcela odstraněny větry, příliv a proudy. Protože je gravitace o něco silnější tam, kde se pod mořským dnem koncentruje hustá hornina, je voda tažena k těmto oblastem, což způsobuje vyboulení povrchu oceánu. Tam, kde je hornina lehčí, voda odtéká a povrch klesá.

Antarktida se nachází nad nejsilnějším takovým poklesem na planetě – Antarktickým geoidním minimem. Povrch oceánu kolem kontinentu je zhruba o 50–60 metrů níže, než je celosvětový geoidní průměr, protože voda je efektivně odtahována do oblastí se silnější gravitační přitažlivostí. Satelity poprvé detekovaly tuto anomálii na počátku roku 2000, když si všimly, že Jižní oceán je v blízkosti Antarktidy měřitelně mělčí, než předpovídaly modely.

Proč je gravitace pod Antarktidou slabší?

Odpověď se skrývá stovky kilometrů pod zemí, v procesu zvaném plášťová konvekce. Zemský plášť – silná vrstva polotekuté horniny mezi kůrou a vnějším jádrem – nikdy není zcela klidný. Během milionů let horká hornina stoupá, zatímco chladná, hustá hornina klesá, poháněna teplem unikajícím z vnitřku planety v obrovských, pomalých proudech.

Pod Antarktidou tento proces vytvořil specifickou kombinaci. Chladné, husté desky starověkých tektonických desek klesaly do hlubokého pláště podél pacifických a jihoatlantických okrajů kontinentu. Současně široký výstup horké, lehké horniny stoupal pod oblastí Rossova moře. Hustý materiál vytváří silnější gravitaci; horký, lehký materiál vytváří slabší gravitaci. Čistým výsledkem je významný hmotnostní deficit pod kontinentem – a tedy gravitační díra nad ním.

Výzkumníci z University of Florida a Institut de Physique du Globe de Paris nedávno rekonstruovali celou historii této anomálie pomocí seismické tomografie – v podstatě provedli CT vyšetření vnitřku planety pomocí zemětřasných vln. Jejich studie, publikovaná v Scientific Reports, vystopovala gravitační díru zpět nejméně o 70 milionů let a zjistila, že dramaticky zesílila mezi 50 a 30 miliony let.

Jak to vědci měří

Po desetiletí byly gravitační anomálie mapovány pomocí citlivých gravimetrů nesených na lodích a letadlech. Obor se transformoval v roce 2002, kdy NASA zahájila misi GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) – dvojici satelitů, které detekovaly drobné gravitační variace z oběžné dráhy měřením měnící se vzdálenosti mezi sebou, když přelétaly nad oblastmi s různou hmotností. GRACE vytvořila nejpodrobnější gravitační mapy Země, jaké kdy byly vytvořeny, jasně odhalila plný rozsah Antarktického geoidního minima a potvrdila jej jako nejsilnější gravitační depresi planety.

Pomohla gravitační díra zamrznout Antarktidě?

Jedním z nejvýraznějších důsledků nedávného výzkumu je možná souvislost mezi prohlubující se gravitační dírou a vznikem antarktických ledových příkrovů. Zalednění Antarktidy začalo přibližně před 34 miliony let – přesně v době, kdy gravitační anomálie nejrychleji sílila.

Navrhovaný mechanismus je elegantní: jak se gravitační minimum prohlubovalo, odtahovalo oceánskou vodu od Antarktidy, čímž efektivně snižovalo místní hladiny moře ve vztahu k pevnině. V glaciologii umožňují nižší hladiny moře ledovým příkrovům pevně se ukotvit na kontinentálním šelfu, místo aby plavaly a rozpadaly se. Snížením místní "vodní linie" mohl vířící plášť poskytnout podmínky, které umožnily stabilizaci a růst rodících se antarktických ledovců do rozsáhlého zamrzlého kontinentu, který existuje dnes.

Proč na tom nyní záleží

Pochopení antarktické gravitační díry není čistě akademické. Jak klimatické změny urychlují ztrátu ledu po celém kontinentu, odstranění této obrovské ledové masy umožňuje, aby se země pod ní pomalu odrazila – proces zvaný glaciální izostatické vyrovnání. Tento odraz mění rozložení hmoty v plášti, což zase ovlivňuje samotné gravitační pole. Vědci poznamenávají, že se zdá, že anomálie se postupně posiluje, jak se ztrácí led, což vytváří zpětnovazební smyčku, která se teprve začíná chápat.

Přesné gravitační mapy jsou také nezbytné pro modelování globálního vzestupu hladiny moře. Protože Antarktické geoidní minimum ovlivňuje, jak se tající voda přerozděluje po světových oceánech, jakákoli změna v jeho síle se promítá do projekcí vzestupu hladiny moře pro pobřeží vzdálená tisíce kilometrů. Ukazuje se, že nejslabší gravitace na Zemi má důsledky, které sahají daleko za zamrzlý jih.