Čo je to gravitačná diera? Vysvetlenie slabého miesta Antarktídy

Gravitácia Zeme nie je konštantná

Väčšina z nás sa učila, že gravitácia je stála, rovnomerná sila, ktorá ťahá všetko k zemi. V skutočnosti sa mení po celej planéte. Tam, kde je hornina pod kôrou hustá, gravitácia ťahá o niečo silnejšie. Tam, kde je ľahšia alebo chýba, gravitácia slabne. Vedci tieto odchýlky nazývajú gravitačné anomálie a najextrémnejší príklad na Zemi sa nachádza priamo pod Antarktídou.

Čo je to gravitačná diera?

Gravitačná diera – formálne nazývaná geoidné minimum – je oblasť, kde je gravitačná sila Zeme merateľne slabšia ako celosvetový priemer. Aby ste to pochopili, musíte vedieť, čo je to geoid: tvar, ktorý by mal povrch oceánu, keby boli vetry, príliv a odliv a prúdy úplne odstránené. Pretože gravitácia je o niečo silnejšia tam, kde sa pod morským dnom koncentruje hustá hornina, voda je ťahaná do týchto oblastí, čo spôsobuje vydutie povrchu oceánu. Tam, kde je hornina ľahšia, voda odteká a povrch klesá.

Antarktída sa nachádza nad najsilnejším takýmto poklesom na planéte – Antarktickým geoidným minimom. Povrch oceánu okolo kontinentu je približne o 50 – 60 metrov nižšie ako celosvetový geoidný priemer, pretože voda je efektívne odťahovaná do oblastí so silnejšou gravitačnou príťažlivosťou. Satelity prvýkrát zaznamenali túto anomáliu začiatkom roku 2000, keď si všimli, že Južný oceán bol merateľne plytší v blízkosti Antarktídy, ako predpovedali modely.

Prečo je gravitácia slabšia pod Antarktídou?

Odpoveď spočíva stovky kilometrov pod zemou, v procese nazývanom plášťová konvekcia. Zemský plášť – hrubá vrstva polotavených hornín medzi kôrou a vonkajším jadrom – nikdy nie je úplne pokojný. Počas miliónov rokov horúca hornina stúpa, zatiaľ čo chladná, hustá hornina klesá, poháňaná teplom unikajúcim z vnútra planéty v rozsiahlych, pomalých prúdoch.

Pod Antarktídou tento proces vytvoril špecifickú kombináciu. Chladné, husté dosky starovekých tektonických platní klesali do hlbokého plášťa pozdĺž pacifických a juhoatlantických okrajov kontinentu. Zároveň rozsiahly výstup horúcej, vztlakovej horniny stúpal pod oblasťou Rossovej morskej oblasti. Hustý materiál vytvára silnejšiu gravitáciu; horúci, ľahký materiál vytvára slabšiu gravitáciu. Konečným výsledkom je významný hmotnostný deficit pod kontinentom – a teda gravitačná diera nad ním.

Výskumníci z University of Florida a Institut de Physique du Globe de Paris nedávno rekonštruovali celú históriu tejto anomálie pomocou seizmickej tomografie – v podstate vykonali CT vyšetrenie vnútra planéty pomocou vĺn zemetrasenia. Ich štúdia, publikovaná v Scientific Reports, vystopovala gravitačnú dieru späť najmenej 70 miliónov rokov a zistila, že dramaticky zosilnela medzi 50 a 30 miliónmi rokov.

Ako to vedci merajú

Po desaťročia boli gravitačné anomálie mapované pomocou citlivých gravimetrov prenášaných na lodiach a lietadlách. Oblasť sa transformovala v roku 2002, keď NASA spustila misiu GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) – dvojicu satelitov, ktoré detekovali drobné gravitačné odchýlky z obežnej dráhy meraním meniacej sa vzdialenosti medzi sebou, keď prelietali nad oblasťami s rôznou hmotnosťou. GRACE vytvorila najpodrobnejšie gravitačné mapy Zeme, aké kedy boli vytvorené, jasne odhalila plný rozsah Antarktického geoidného minima a potvrdila ho ako najsilnejšiu gravitačnú depresiu planéty.

Pomohla gravitačná diera zamrznúť Antarktíde?

Jedným z najvýraznejších dôsledkov nedávneho výskumu je možná súvislosť medzi prehlbujúcou sa gravitačnou dierou a tvorbou antarktických ľadovcov. Zaľadnenie Antarktídy sa začalo približne pred 34 miliónmi rokov – presne vtedy, keď gravitačná anomália najrýchlejšie silnela.

Navrhovaný mechanizmus je elegantný: ako sa gravitačné minimum prehlbovalo, odťahovalo oceánsku vodu od Antarktídy, čím efektívne znižovalo miestne hladiny mora v porovnaní so zemou. V glaciológii nižšie hladiny mora umožňujú ľadovcom pevne sa ukotviť na kontinentálnom šelfe namiesto toho, aby plávali a rozpadali sa. Znížením miestnej „vodnej čiary“ mohol víriaci plášť vytvoriť podmienky, ktoré umožnili stabilizáciu a rast antarktických vznikajúcich ľadovcov do rozsiahleho zamrznutého kontinentu, ktorý existuje dnes.

Prečo na tom teraz záleží

Pochopenie antarktickej gravitačnej diery nie je čisto akademické. Keďže klimatické zmeny urýchľujú stratu ľadu na celom kontinente, odstránenie tejto obrovskej ľadovej hmoty umožňuje, aby sa zem pod ňou pomaly odrazila – proces nazývaný glaciálny izostatický posun. Tento odraz mení rozloženie hmoty v plášti, čo zase ovplyvňuje samotné gravitačné pole. Vedci poznamenávajú, že anomália sa zdá byť postupne silnejšia, keď sa stráca ľad, čím sa vytvára spätná väzba, ktorá sa len začína chápať.

Presné gravitačné mapy sú tiež nevyhnutné pre modelovanie globálneho nárastu hladiny mora. Pretože Antarktické geoidné minimum ovplyvňuje, ako sa roztopená voda prerozdeľuje po svetových oceánoch, akákoľvek zmena v jeho sile sa prejaví v projekciách hladiny mora pre pobrežia vzdialené tisíce kilometrov. Ukazuje sa, že najslabšia gravitácia na Zemi má dôsledky, ktoré siahajú ďaleko za zamrznutý juh.