Czym jest dziura grawitacyjna? Wyjaśnienie słabego punktu Antarktydy

Grawitacja Ziemi nie jest stała

Większość z nas uczyła się, że grawitacja jest stałą, jednolitą siłą przyciągającą wszystko do ziemi. W rzeczywistości różni się ona na powierzchni planety. Tam, gdzie skała pod skorupą jest gęsta, grawitacja przyciąga nieco mocniej. Tam, gdzie jest lżejsza lub jej nie ma, grawitacja słabnie. Naukowcy nazywają te zmiany anomaliami grawitacyjnymi, a najbardziej ekstremalny przykład na Ziemi znajduje się bezpośrednio pod Antarktydą.

Czym jest dziura grawitacyjna?

Dziura grawitacyjna – formalnie nazywana geoidą niską – to obszar, w którym przyciąganie grawitacyjne Ziemi jest mierzalnie słabsze niż średnia globalna. Aby to zrozumieć, trzeba wiedzieć, czym jest geoida: kształt, jaki przybrałaby powierzchnia oceanu, gdyby całkowicie usunąć wiatry, pływy i prądy. Ponieważ grawitacja jest nieco silniejsza tam, gdzie gęsta skała koncentruje się pod dnem morskim, woda jest przyciągana do tych obszarów, powodując wybrzuszenie powierzchni oceanu. Tam, gdzie skała jest lżejsza, woda odpływa, a powierzchnia opada.

Antarktyda leży nad najsilniejszym takim spadkiem na planecie – Antarktyczną Geoidą Niską. Powierzchnia oceanu wokół kontynentu znajduje się około 50–60 metrów niżej niż średnia globalna geoida, ponieważ woda jest skutecznie odciągana w kierunku obszarów o silniejszym przyciąganiu grawitacyjnym. Satelity po raz pierwszy wykryły tę anomalię na początku XXI wieku, zauważając, że Ocean Południowy był mierzalnie płytszy w pobliżu Antarktydy, niż przewidywały modele.

Dlaczego grawitacja jest słabsza pod Antarktydą?

Odpowiedź leży setki kilometrów pod ziemią, w procesie zwanym konwekcją płaszcza. Płaszcz Ziemi – gruba warstwa półpłynnej skały między skorupą a zewnętrznym jądrem – nigdy nie jest całkowicie nieruchomy. Przez miliony lat gorąca skała unosi się, a chłodna, gęsta skała opada, napędzana ciepłem uciekającym z wnętrza planety w ogromnych, powolnych prądach.

Pod Antarktydą proces ten stworzył specyficzną kombinację. Zimne, gęste płyty starożytnych płyt tektonicznych zapadły się w głęboki płaszcz wzdłuż pacyficznych i południowoatlantyckich marginesów kontynentu. Jednocześnie szeroki prąd wznoszący gorącej, wypornej skały uniósł się pod regionem Morza Rossa. Gęsty materiał tworzy silniejszą grawitację; gorący, lekki materiał tworzy słabszą grawitację. Efektem netto jest znaczny deficyt masy pod kontynentem – a zatem dziura grawitacyjna nad nim.

Naukowcy z University of Florida i Institut de Physique du Globe de Paris niedawno zrekonstruowali pełną historię tej anomalii za pomocą tomografii sejsmicznej – zasadniczo wykonując tomografię komputerową wnętrza planety za pomocą fal trzęsień ziemi. Ich badanie, opublikowane w Scientific Reports, prześledziło dziurę grawitacyjną wstecz o co najmniej 70 milionów lat i wykazało, że wzmocniła się ona dramatycznie między 50 a 30 milionami lat temu.

Jak naukowcy to mierzą

Przez dziesięciolecia anomalie grawitacyjne mapowano za pomocą czułych grawimetrów przewożonych na statkach i samolotach. Dziedzina ta uległa transformacji w 2002 roku, kiedy NASA uruchomiła misję GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) – bliźniacze satelity, które wykrywały niewielkie zmiany grawitacyjne z orbity, mierząc zmieniającą się odległość między sobą, gdy przelatywały nad obszarami o różnej masie. GRACE stworzył najbardziej szczegółowe mapy grawitacyjne Ziemi, jakie kiedykolwiek wykonano, wyraźnie ujawniając pełny zasięg Antarktycznej Geoidy Niskiej i potwierdzając ją jako najsilniejsze zagłębienie grawitacyjne na planecie.

Czy dziura grawitacyjna pomogła zamrozić Antarktydę?

Jedną z najbardziej uderzających implikacji ostatnich badań jest możliwe powiązanie między pogłębiającą się dziurą grawitacyjną a powstaniem pokryw lodowych Antarktydy. Zlodowacenie Antarktydy rozpoczęło się około 34 milionów lat temu – dokładnie wtedy, gdy anomalia grawitacyjna wzmacniała się najszybciej.

Proponowany mechanizm jest elegancki: gdy obniżenie grawitacyjne pogłębiło się, odciągnęło wodę oceaniczną od Antarktydy, skutecznie obniżając lokalny poziom morza w stosunku do lądu. W glacjologii niższy poziom morza pozwala pokrywom lodowym zakotwiczyć się mocno na szelfie kontynentalnym, zamiast unosić się i rozpadać. Obniżając lokalną "linię brzegową", płaszcz mógł stworzyć warunki, które pozwoliły nascentnym lodowcom Antarktydy ustabilizować się i rozwinąć w rozległy zamarznięty kontynent, który istnieje dzisiaj.

Dlaczego to ma teraz znaczenie

Zrozumienie dziury grawitacyjnej Antarktydy nie jest czysto akademickie. W miarę jak zmiany klimatyczne przyspieszają utratę lodu na całym kontynencie, usunięcie tej ogromnej masy lodu pozwala lądowi pod spodem powoli się podnosić – proces zwany glacjalnym dostosowaniem izostatycznym. To odbicie zmienia rozkład masy w płaszczu, co z kolei wpływa na samo pole grawitacyjne. Naukowcy zauważają, że anomalia wydaje się stopniowo wzmacniać w miarę utraty lodu, tworząc pętlę sprzężenia zwrotnego, która dopiero zaczyna być rozumiana.

Dokładne mapy grawitacyjne są również niezbędne do modelowania globalnego wzrostu poziomu morza. Ponieważ Antarktyczna Geoida Niska wpływa na sposób, w jaki woda roztopowa redystrybuuje się w oceanach świata, każda zmiana jej siły wpływa na prognozy wzrostu poziomu morza dla linii brzegowych oddalonych o tysiące kilometrów. Okazuje się, że najsłabsza grawitacja na Ziemi ma konsekwencje, które sięgają daleko poza zamarznięte południe.