שינויים עונתיים גורמים לחלוקה מחדש של כמויות מים כה גדולות על פני כדור הארץ, עד שהם מסיטים את מרכז המסה של כוכב הלכת שלנו הלוך ושוב – בשיעור מזערי של ממש – ביחס למרכזו הגאומטרי. מדעני נאס"א עוקבים אחר תנודות אלו, שכן מרכז המסה של כדור הארץ מהווה נקודת ייחוס קריטית עבור ניווט לווייני ומדידות גובה.
התנועה במרכז המסה של כדור הארץ, בסדרי גודל של מילימטרים, בין השנים 1993 ל-2017
(איור: NASA’s Scientific Visualization Studio)
צוות בהובלת המעבדה להנעה סילונית (JPL) של נאס"א בדרום קליפורניה הציע שיטה לחישוב התנודות העונתיות בדיוק רב במיוחד. השיטה והממצאים מפורטים במחקר שפורסם בכתב העת Geophysical Journal International. המחברים מתארים בפירוט רב תהליכים כגון הפשרת השלגים באביב, סערות באוקיינוסים ואוויר חורפי קר ודחוס, הגורמים להעברת עומסים עצומים על פני השטח מעונה לעונה. במקרה של האוויר החורפי, מצאו החוקרים כי הוא תורם להטיית המאזן מעל חצי האי ערב, אסיה וצפון אפריקה בסביבות 21 בדצמבר מדי שנה, ומעל אמריקה הדרומית ודרום אפריקה בסביבות 21 ביוני.
מחקר זה אינו הניסיון הראשון לקבוע במדויק את מיקומו של מרכז המסה של כדור הארץ. לאורך העשורים האחרונים, מדענים פיתחו שיטות חלוציות המבוססות על טכנולוגיות חלל כדי להגדיר ולאתר אותו. אולם מדובר במטרה שמיקומה משתנה ללא הרף. לו היה כדור הארץ גוף מוצק וקשיח, מרכז המסה שלו היה חופף בדיוק למרכזו הגאומטרי. אך במציאות, כוכב הלכת שלנו נתון לתנודות ולשינויי צורה תחת משקלם של המים, הקרח והאוויר. כתוצאה מכך, מרכז המסה של כדור הארץ נע וסוטה ללא הרף סביב המרכז הגאומטרי, בטווח המגיע לכמה מילימטרים.
גלריה
תנועת מים בין היבשה לאוקיינוסים גורמת לשינוי במיקום מרכז המסה של כדור הארץ ביחס למרכזו הגאומטרי. מדעני נאס"א פיתחו שיטה חדשה, המבוססת על מעקב לווייני מדויק במיוחד, כדי לאמוד את ההסטה הזו
(איור: NASA’s Scientific Visualization Studio)
שלוש סופות שתועדו באוקיינוס השקט, מה שעשוי להשפיע על התנודות במרכז המסה של כדור הארץ
(צילום: CIRA/NOAA/AP)
מחברי המחקר עקבו אחר התנודות העונתיות במיקום מרכז המסה של כדור הארץ וייחסו את הגורם לכך לשלוש קטגוריות: אוקיינוסים, אטמוספרה ומים יבשתיים (הכוללים קרח יבשתי, שלג, מי אגמים ונהרות, רטיבות בקרקע ומי תהום). הם מצאו כי הצטברות השלג באמריקה הצפונית ובאירו-אסיה מגיעה לשיאה בחודש מרץ ומסיטה את מרכז המסה של כדור הארץ בכ-3 מילימטרים לכיוון הקוטב הצפוני. חודש לאחר מכן, באפריל, מגיעים מי הגשמים באגן נהר האמזונס לשיא של 2,400 גיגה-טון, ומסיטים את מרכז המסה של כדור הארץ ב-2.2 מילימטרים לכיוון אמריקה הדרומית. מי המונסון בדרום-מזרח אסיה מגיעים לשיא של 600 גיגה-טון כעבור שישה חודשים, בחודש נובמבר, ובכך תורמים במידה מועטה לתנודה השנתית.
בין החודשים אוגוסט ואוקטובר, האוקיינוסים מתמלאים במי הפשרה ובמי גשמים, ומרכז המסה של כדור הארץ נע לעבר דרום האוקיינוס השקט. האוקיינוס השקט כה עצום, עד כדי כך שהשינויים במסה המתרחשים בו מאפילים על אובדן או תוספת מסה באוקיינוסים אחרים. עם זאת, גם הדינמיקה העונתית בים התיכון, בים האדום, בים הצפוני, בים הבלטי ובים ברנץ תורמת – כל אחד בדרכו הצנועה – להסטת מרכז המסה של כדור הארץ.
נסיגת קרחונים באלסקה, אחד התהליכים המשפיעים על התנודות במרכז המסה של כדור הארץ
(צילום: NASA Earth Observatory/AP)
עד כמה מדויקות השיטות הקיימות למדידת היקף התנודה הזו? שתי ההערכות הבינלאומיות האחרונות, שנערכו ב־2017 וב־2023, שונות זו מזו ב־7 מילימטרים. על כן, ההבדל בין ההערכות גדול כמעט כמו התנועה עצמה. כדי לצמצם את אי-הוודאות, הוביל ד"ר דונלד ארגוס, מדען וגאופיזיקאי בכיר במעבדה להנעה סילונית של נאס"א, פיתוח של שיטה חדשה המבוססת על מעקב לווייני מדויק במיוחד.
בהשפעת כוח הכבידה, לוויינים נעים באופן טבעי במסלול סביב מרכז המסה של כדור הארץ, כאילו היו קשורים אליו בכבלים בלתי-נראים. שינויים מזעריים במרחק שבין הלוויינים לבין תחנות הקרקע משקפים את השינויים במיקומו של מרכז המסה של כדור הארץ. השימוש בלוויינים כדי לאתר את מרכז המסה של כדור הארץ אינו רעיון חדש. למעשה, קיימים לווייני מתכת – ששוגרו בשנים 1976 ו-1992 – המיועדים אך ורק למטרה זו. שני הלוויינים, המכונים LAGEOS-1 ו- LAGEOS-2 (ראשי תיבות של Laser Geodynamics Satellites), מזכירים במראה שלהם כדורי דיסקו במשקל 408 קילוגרם. הם מצופים במנסרות מחזירות אור ומעקב אחריהם מתבצע בדיוק של קרן לייזר באמצעות תחנות קרקעיות הפזורות ברחבי העולם, ביותר מ-20 מדינות.
הלוויין LAGEOS-1
(צילום: NASA)
עם זאת, אחת המגבלות של שיטת מדידת המרחק בין תחנות על פני כדור הארץ לבין לוויינים בחלל באמצעות קרני לייזר היא הפיזור הלא-אחיד של התחנות ברחבי כדור הארץ. הטכניקה החדשה משפרת את הדיוק בשני אופנים: היא משלבת מעקב GPS יחד עם נתונים מסלוליים ממספר לוויינים הנמצאים במסלול נמוך סביב כדור הארץ, ובכך מספקת מגוון רחב של מטרות למדידה. כמו כן, היא לוקחת בחשבון כיצד משקלם של מים וקרח גורם לעיוות בקרום כדור הארץ – תהליך הגורם לתחנות הקרקע לנוע יחד עמו. "כעת אנו מעריכים כי היקף התנועה של מרכז המסה של כדור הארץ – הלוך ושוב מדי שנה – הוא כמחצית ממה שסברנו לפני שמונה שנים", אמר ד"ר ארגוס. "הממצאים שלנו מצביעים על כך שמסת המים והאוויר של כדור הארץ הנעה בין שני חצאיו קטנה מכפי שסברו בעבר".
ד"ר פליקס לנדרר, מדען בכיר מהמעבדה להנעה סילונית של נאס"א, שנמנה עם צוות המחקר, ציין כי אף שתנועות אלו עשויות להיראות מזעריות, העולם המודרני שלנו נשען על מדידות מיקום מדויקות ביותר. "באמצעות פענוח והבנה של המנגנונים המשנים את מערכות הייחוס, אנו יכולים לבנות מערכות ייחוס טובות יותר, אשר בסופו של דבר יועילו לתחומי המיפוי והניווט – החל מלוגיסטיקה של ספנות עולמית ועד לחקלאות מדויקת", אמר ד"ר לנדרר.
