Центр масс Земли постоянно смещается: NASA измерило сезонные колебания с рекордной точностью
Земля не является идеально твёрдым и неподвижным шаром. Её центр масс — условная точка, вокруг которой планета уравновешена, — постоянно смещается относительно геометрического центра. Причина почти бытовая. Вода, лёд и воздух с сезонными ритмами перемещаются по поверхности и внутри планеты. Тем самым они перераспределяют огромные массы.
Для обывателя несколько миллиметров смещения не значат ничего. Однако для спутниковой навигации и геодезии центр масс Земли служит ключевой точкой отсчёта. Учёные из Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) разработали новый метод. Он позволяет измерять эти сезонные сдвиги с исключительной точностью. Результаты опубликованы в Geophysical Journal International [1].
Почему центр масс Земли не стоит на месте
Если бы Земля была абсолютно твёрдой, её центр масс совпадал бы с геометрическим центром. В реальности планета реагирует на перераспределение веса воды, льда и атмосферы. Из-за этого центр масс обращается вокруг геометрического центра. Отклонение достигает нескольких миллиметров.
Определить точную величину этого движения оказалось сложно. Две последние международные оценки — 2017 и 2023 годов — расходятся на 7 миллиметров. Это почти столько же, сколько составляет само измеряемое смещение. Чтобы сузить неопределённость, геоучёный JPL Дональд Аргус возглавил разработку нового подхода [2]. В его основе лежит сверхточное спутниковое слежение.
Логика метода проста. Гравитация заставляет спутники обращаться вокруг центра масс Земли. Когда эта точка смещается, меняются расстояния между аппаратами на орбите и наземными станциями. Эти микроскопические изменения и улавливают учёные.
От спутников-«дискошаров» до объединённых данных
Спутники для определения центра масс использовались и раньше. Два тяжёлых металлических аппарата запустили в 1976 и 1992 годах. Они создавались именно для этой задачи. Laser Geodynamics Satellites (LAGEOS 1 и 2) массой 408 килограммов покрыты отражающими призмами. Внешне они напоминают дискотечные зеркальные шары. Наземные станции более чем в 20 странах посылают к ним лазерные импульсы. Затем они точно измеряют ответный сигнал [3].
Однако у этого способа есть слабое место. Лазерные станции распределены по планете неравномерно. Новая методика решает проблему двумя путями. Во-первых, лазерные измерения объединяют с GPS-трекингом. Также используют орбитальные данные нескольких низкоорбитальных спутников. Во-вторых, учитывается деформация земной коры под весом воды и льда. В результате сами наземные станции тоже слегка смещаются вместе с поверхностью [1].
«Сейчас мы оцениваем величину годового смещения центра масс примерно вдвое меньше, чем считали восемь лет назад, — говорит Аргус. — Наши результаты говорят о том, что масса воды и воздуха, перемещающаяся между полушариями, меньше, чем предполагалось» [2].
Снег, дожди и океаны раскачивают планету
Исследователи проследили сезонное движение центра масс. Они выделили три главных источника: океаны, атмосферу и континентальные воды. К последним относится наземный лёд, снег, вода озёр и рек, влага почвы и подземные воды [4].
Эффекты меняются в течение года. Ведь вода и воздух накапливаются в разных регионах.
Снежный покров Северной Америки и Евразии достигает максимума в марте. Эта дополнительная масса смещает центр масс примерно на 3 миллиметра. Направление — в сторону Северного полюса. В апреле бассейн Амазонки набирает сезонный максимум дождевой воды. Объём достигает около 2400 гигатонн. Столь огромная концентрация влаги притягивает центр масс на 2,2 миллиметра. Направление — в сторону Южной Америки. Позже, в ноябре, к движению добавляются муссонные воды Юго-Восточной Азии. Их вклад — до 600 гигатонн [1].
Океан тоже вносит крупный вклад. С августа по октябрь талые и дождевые воды увеличивают массу океанов. Это толкает центр масс в сторону Южной Пацифики. Поскольку Тихий океан огромен, изменения его массы перевешивают колебания других бассейнов. При этом Средиземное, Красное, Северное, Балтийское и Баренцево моря тоже дают небольшие вклады. Однако они вполне измеримы [5].
Атмосфера замыкает цикл. С помощью модели Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды учёные оценили сезонные атмосферные изменения. Так они выяснили их влияние на центр масс. Оказалось, что холодный плотный зимний воздух смещает баланс в сторону Аравии, Азии и Северной Африки. Это происходит примерно 21 декабря. Ближе к 21 июня аналогичный эффект проявляется над Южной Америкой и Южной Африкой [6].
GRACE подтверждает: масса действительно перераспределяется
Оценки массы, полученные в новом анализе, согласуются с наблюдениями миссии GRACE-FO. Она стартовала в 2018 году. В её составе два спутника. Они ежемесячно измеряют изменения гравитационного поля Земли. Значительная часть этих изменений вызвана перемещением воды над поверхностью и под ней [3].
Аппараты летят в чрезвычайно точном строю. Когда передний спутник проходит над регионом с избыточной массой, усиленное притяжение меняет расстояние между аппаратами. Речь идёт о крошечной, но регистрируемой величине. Пример такого региона — переполненный водой речной бассейн. GRACE-FO — совместный проект NASA и Немецкого исследовательского центра геонаук (GFZ) [6].
Уже готовится следующее поколение измерений. Миссия GRACE-Continuity (GRACE-C) нацелена на запуск в конце 2028 года. Она должна продолжить почти 25-летнюю серию наблюдений. Эти наблюдения отслеживают перемещение воды и массы по Земле [7].
Миллиметры, от которых зависит навигация
Хотя речь идёт о микроскопических расстояниях, их значение выходит далеко за пределы лаборатории.
Соавтор исследования Феликс Ландерер из JPL отмечает: «Эти движения могут казаться крошечными, но современный мир опирается на предельно точные измерения положения. Разбираясь в механизмах, меняющих системы отсчёта, мы можем строить более совершенные системы. В итоге они приносят пользу картографии и навигации — от глобальной логистики до точного земледелия» [2].
Точное положение центра масс — это начало отсчёта для высокоточной GPS-навигации и расчёта орбит. Спутниковые альтиметрические миссии измеряют высоту аппарата относительно центра масс. Затем они вычисляют расстояние до поверхности океана. Так получается уровень моря. Любая ошибка в системе отсчёта переносится в рассчитанную орбиту. Следовательно, она влияет и на измерения уровня моря [4].
Именно поэтому отслеживание миллиметрового «танца» центра масс Земли так важно. В конечном счёте оно определяет, насколько точно мы умеем измерять саму планету. А значит — и наше место на ней.
Список источников:
- Estimation and cause of the seasonal oscillation between Earth’s centre of mass and centre of figure — Geophysical Journal International, сентябрь 2026
- NASA Watches Earth’s Weight, Finds Center of Mass — NASA, сентябрь 2026
- Центр масс Земли колеблется в зависимости от сезона из-за перемещения воды и воздуха — Techinsider.ru, сентябрь 2026
- Спутники зафиксировали ежегодный сдвиг центра масс Земли на 7 мм — Наука, сентябрь 2026
- Сезонное перемещение воды: NASA установило, что центр масс Земли ежегодно смещается на несколько миллиметров — NV Техно, октябрь 2026
- Schnee, Monsun und Ozeane verschieben den Schwerpunkt der Erde — Scinexx, сентябрь 2026
- Le centre de masse de la Terre bouge avec les saisons — Imep CNRS, сентябрь 2026
