Amikor a gravitációra gondolunk, általában egy erőt képzelünk el, stabil, homogén és mindig ugyanolyan a bolygó bármely sarkában. A modern geofizika azonban megmutatta, hogy ez a kép túlságosan leegyszerűsített: a gravitáció kismértékben változik helyről helyre, mivel a Föld belseje egyáltalán nem egyenletes.
A gravitációs emelkedések és süllyedések térképén az egyik legszembetűnőbb jellemző az ún. „Gravitációs lyuk az Antarktiszon”Az Antarktiszi Geoid Mélypontként is ismert terület nem egy fizikai lyuk a földben vagy egy alagút a Föld középpontjába, hanem egy olyan régió, ahol a gravitációs vonzás valamivel gyengébb a vártnál. Ez a különbség, ami egy személy számára néhány grammal kevesebbet jelenthet a skálán, több mint 70 millió éves geológiai történetet rejt.
Mi is pontosan a „gravitációs lyuk”?
A sokatmondó neve ellenére a gravitációs lyuk nem egy üreg vagy barlang a jég alatt, hanem egy gravitációs tér anomáliaEgyszerűen fogalmazva, ez egy olyan terület, ahol a gravitáció valamivel gyengébb a Föld belsejében lévő tömeg eloszlása miatt. Ahol kisebb a kőzetsűrűség, a gravitációs vonzás csökken.
Az Antarktisz egyes részei alatt, különösen a régióban Ross-tengerMűholdak és geofizikai modellek egy nagyon markáns mélyedést észleltek a geoidban, azaz abban az elméleti felületben, amely azt az elméleti felületet képviseli, amely a tengerszint eloszlását reprezentálja, ha az kizárólag a gravitációtól függne. Ezen a területen a gravitáció által meghatározott tengerfelszín a következő magasságig található: körülbelül 120-130 méterrel lejjebb a globális átlagnak.
A mindennapi életben ez az eltérés lényegtelen: egy 90 kilogrammos ember akár néhány grammal is kevesebbet nyomhat, és nem is veszi észre. A tudósok számára azonban ez az apró különbség… közvetlen ablak a tömeges terjesztésre a köpenyben és a földkéregben, és alapvető kulcs a fehér kontinens történetének rekonstruálásához.
Továbbá ez az antarktiszi gravitációs lyuk nem az egyetlen nagy minimum a bolygón. Vannak más hasonló mélyedések is, mint például a híres Indiai-óceáni geoidesésahol a gravitáció is rendellenesen alacsony, és a helyi tengerszint több mint 100 méterrel süllyed a környezetéhez képest. A legfontosabb különbség a matematikai referencia meghatározásában és a használt Földmodellben rejlik, amit később látni fogunk.
A Föld nem tökéletes gömb: a geoid szerepe
Ha kiüríthetnénk az óceánokat, és csak a felszín alakját mérhetnénk a gravitáció hatása alatt, az eredmény sokkal kevésbé hasonlítana gömbre, és sokkal inkább egy... krumpli tele dudorokkal és mélyedésekkelEzt a szabálytalan alakzatot geoidnak nevezik, és azt tükrözi, hogyan változik a gravitáció a bolygón belüli tömegeloszlás függvényében.
A gravitációs mező intenzitása kismértékben változik attól függően, hogy a kőzetek sűrűsége, az óceánfenék domborzataHegységek, alábuktatott lemezek vagy a mély köpenyből kiemelkedő forró anyagfelhők jelenléte. Ezen struktúrák mindegyike lokálisan tömeget ad hozzá vagy vesz el, kis dombokat és völgyeket hozva létre a geoidban.
Évekig azt hitték, hogy a Föld legintenzívebb gravitációs depressziója az Indiai-óceánban található, az úgynevezett régióban. Indiai-óceáni geoid minimum, egy körülbelül hárommillió négyzetkilométeres terület, ahol a gravitáció egyértelműen alacsonyabb a globális átlagnál. Azonban, ha olyan modelleket alkalmazunk, amelyek figyelembe veszik a a bolygó belső dinamikája És ha korrigálják a Föld forgása miatti természetes ellaposodást, a kép megváltozik: a legmélyebb anomália az antarktiszi jégsapka alatt jelenik meg.
A kulcs a vonatkoztatási pontban rejlik: a szabványos navigációs rendszerek egy ellipszoidot használnak (mint például a WGS84), amely nem tükrözi pontosan a köpenyfolyamatokat. Ezzel szemben a hidrosztatikai modellek, amelyek a bolygó alakját a forgásának és belsejének folyékonyságának megfelelően korrigálják, azt jelzik, hogy a valódi geodinamikai gravitációs minimum Az antarktiszi jégsapka alatt található.
Hogyan észlelhetők a gravitációs anomáliák kilométernyi jég alatt?
A Föld belsejének feltárása nem éppen könnyű feladat. A legmélyebb fúrólyuk, amit valaha fúrtunk, a híres Kola Superdeep fúrólyuk OroszországbanAlig éri el a 12 km-es mélységet, ami nevetségesen kicsi a Föld közel 6.400 km-es sugarához képest. Ahhoz, hogy ezen túl lássunk, közvetett technikákat kell alkalmazni.
Egyrészt a műholdas küldetések, mint például GRACE (Gravitációs Helyreállítás és Klímakísérlet) vagy az európai műhold ÖRÖM Kiváló pontossággal mérik, hogyan változik a gravitáció, miközben a bolygó körül keringenek. A GRACE-ben például két műhold repül egymás mögött; amikor az első egy nagyobb tömegű terület felett halad el, a gravitáció kissé felgyorsítja, növelve a köztük lévő átmeneti távolságot. Ezeket a parányi változásokat a gravitációs mező nagy felbontású térképeivé alakítják át.
Másrészt a geofizikusok a következőket használják: földrengések által keltett szeizmikus hullámok mintha óriási röntgensugarak lennének. Ahogyan egy orvosi CT-vizsgálat rekonstruálja a test belsejét, a planetáris szeizmikus tomográfia lehetővé teszi számunkra, hogy kikövetkeztessük a kőzetek sűrűségét: a szeizmikus hullámok gyorsabban mozognak hideg, sűrű anyagokban, és lelassulnak a melegebb, kevésbé tömör területeken.
A tudósok több millió szeizmikus feljegyzés és a köpenyáramlás numerikus modelljeinek kombinálásával képesek voltak háromdimenziós térképeket készíteni az Antarktisz alatti tömegeloszlásról. Ezeket a modelleket fejlett technikákkal finomítják, mint például oda-vissza lökés (BFN), amely időben előre és hátrafelé módosítja a szimulációkat, hogy azok illeszkedjenek mind a bolygó jelenlegi állapotához, mind a rendelkezésre álló geológiai és geodéziai adatokhoz.
Egy 70 millió éve formálódó gravitációs lyuk
Geofizikusok vezették az antarktiszi gravitációs lyukkal kapcsolatos kulcsfontosságú tanulmányt Alessandro Forte (Floridai Egyetem) és Petar Glišović (Párizsi Földfizikai Intézet) által készített, a Scientific Reports folyóiratban megjelent tanulmány célja az volt, hogy rekonstruálja, hogyan fejlődött ez a hatalmas gravitációs depresszió az elmúlt 70 millió évben.
Mélyszeizmikus adatokon, lemezdinamikán és a köpenyásványok fizikai tulajdonságain alapuló számítógépes szimulációk segítségével a szerzők visszatekerték a geológiai szalagot a kainozoikum kezdetéig, röviddel a dinoszauruszok kihalása után. Abban az időben az antarktiszi kontinens Nem volt befagyvaMérsékelt éghajlata, növényzete és ökoszisztémája nagyon különbözött a maitól.
A Forte és Glišović modellek azt mutatják, hogy a geoidmélyedés már korábban is létezett. 70 millió év alattAzonban viszonylag halvány volt, és az Atlanti-óceán délebbre helyezkedett el. 40 és 30 millió évvel ezelőtt ez az anomália eltolódott és megerősödött, míg el nem érte jelenlegi helyét a Ross-tenger alatt.
Eredményeik szerint az antarktiszi gravitációs lyuk története két fő szakaszra osztható. Az elsőben, a ... között 70 és 35 millió évvel ezelőttA depresszió intenzitása ingadozott, többször emelkedett és csökkent. A második időszakban, 35 millió évvel ezelőtttől napjainkig, az anomália nagysága folyamatosan, körülbelül 30%-kal nőtt, miközben a köpeny különböző rétegeinek ehhez való hozzájárulása is megváltozott.
Mi történik az Antarktisz alatti köpenyben?
A gravitáció közvetlenül összefügg a tömeggel, és az Antarktisz alatt ez a tömeg lassan, de drasztikusan átszerveződik. A geodinamikai modellek azt mutatják, hogy az Antarktiszi Geoid Low régióban van egy forró, kevésbé sűrű anyagáram a mély köpenyből emelkedik fel. Ez a hőáramlás legalább 70 millió éve aktív.
Története kezdetén az anomália nagy részét a sűrűségbeli különbségekkel magyarázták. a köpeny mélyebb rétegeiami a teljes intenzitás 30% és 50%-a között járult hozzá. Idővel a felső köpeny hozzájárulása nőtt, míg a középső köpenyé csökkent. Ez azt jelenti, hogy az elmúlt 35 millió évben a Föld belsejének legkülső rétegei egyre fontosabb szerepet játszottak a gravitációs lyuk elmélyítésében.
Körülbelül 50 és 30 millió évvel ezelőtt egy kulcsfontosságú esemény történt: nagy óceáni tektonikus lemezek süllyedtek el Az Antarktisz északnyugati peremén hideg kőzetlemezek süllyedtek a köpenybe. Ugyanekkor egy nagy, meleg, kevésbé sűrű anyagbuborék kezdett emelkedni a Föld nagyon mélyéből.
Az egyik oldalon süllyedő sűrű kőzetek és a másikon felemelkedő könnyű anyagok kombinációja egy nagyon jelentős egyensúlyhiány a tömegeloszlásbanAhogy a területet a mélyebben lévő kevésbé sűrű anyagok kezdték uralni, a regionális gravitációs vonzás egyre jobban csökkent, megerősítve a Ross-tenger alatti gravitációs lyukat.
A kutatók ezeket a belső folyamatokat a következők létezéséhez kötik: jég alatt rejtőző hegyek ...valamint a kontinens közepén található szárazföldek kiemelkedésével. A meleg, kevésbé sűrű anyag felemelkedése a köpenyből hozzájárulhatott az alapkőzet megemeléséhez, alakítva azt a domborzatot, amelyen később a nagy antarktiszi jégtakarók kialakultak.
Izosztatikus beállítás és kéregvisszapattanás jég alatt
A tisztán köpenydinamikán kívül egy másik folyamat is szerepet játszik: az ún. jég utáni izosztatikus korrekcióAz antarktiszi jég hatalmas súlya lassan süllyesztette a földkérget, mintha egy hajót raknának, amíg mélyebbre nem süllyed. Amikor a gleccserek olvadás miatt veszítenek tömegükből, ez a súly csökken, és a kéreg fokozatosan emelkedni kezd.
Ez a „fellendülés” anyagcserét foglal magában: a a kéreg nehezebb és szilárdabb kőzetei amelyek elmozdítják a felső köpenyt, amely általában kevésbé sűrű. Ez az átrendezés módosítja a tömegeloszlást, és így tükröződik a műholdak által rögzített gravitációs térben.
A GRACE megfigyelései kimutatták, hogy bizonyos gravitációs anomáliák... idővel erősödikAz egyik lehetséges magyarázat az, hogy a jég alatti kéreg felemelkedése gyorsabb és hangsúlyosabb, mint ahogy azt a korábbi modellek feltételezték, ami arra utalna, hogy a felső köpeny ebben a régióban folyékonyabb, vagy gyorsabban reagál a terhelésváltozásokra.
Ez az izosztatikus beállítás nem csupán technikai részlet: befolyásolja a a gleccserek stabilitásaAhogy az alapkőzet emelkedik, fizikai akadályokat hoz létre, amelyek lelassíthatják a jég tengerbe csúszását. Elméletileg ez a „fedő” hatás csökkentheti az Antarktisz hozzájárulását a globális tengerszint-emelkedéshez.
Azonban ez nem minden esetben jó hír. A tömegek mozgása a bolygón belül szintén módosíthatja a geotermikus hőáramlásHa a meleg anyag feláramlása közelebb kerül a gleccserek aljához, ez a további hő elősegítheti az olvadást alulról, kenve a jég és a kőzet közötti határfelületet, és megkönnyítve a jégtakarók óceánba csúszását.
A gravitációs lyuk és az Antarktisz fagyása közötti kapcsolat
A történet egyik legérdekesebb aspektusa a gravitációs lyuk evolúciója és a ... közötti lehetséges kapcsolat. Az Antarktisz befagyasztását okozó klímaátmenetKörülbelül 34 millió évvel ezelőtt a kontinens egy viszonylag meleg éghajlatról, erdőkről és gazdag állatvilágról egy hatalmas jégsapka állandó borítására vált.
Az antarktiszi eljegesedést több tényező okozta: a légkör összetételének változásai, óceáni áramlatok, a Föld körüli pályán… de a geodinamikai tanulmány azt sugallja, hogy a geoid variációk További szerepet is játszhattak. Mivel a gravitáció határozza meg a tengerszint alakját, az Antarktisz körüli lokális gravitáció csökkenése a víz „eltávolodását” eredményezhette volna a nagyobb gravitációs vonzással rendelkező régiók felé.
A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a tengerszint a kontinens körül A tengerszint lokálisan csökkent. A korábban víz alatt álló part menti területek jobban ki voltak téve a hideg, száraz levegőnek. Ez a további vízmentes felszín ideális terep lett a jég kialakulásához, a sziklán való megszilárduláshoz és a szárazföld belsejében való terjeszkedéshez anélkül, hogy az óceán folyamatosan erodálná.
Így a több ezer kilométer mélyen bekövetkezett változások – a lemezek süllyedése és a forró anyagfelhők felemelkedése – közvetve hozzájárulhattak a Az antarktiszi jégtakarók kialakulása és növekedéseNem ezek az egyetlen okok, de egy további darabot jelentenek a kirakósban, amelyek segítenek megérteni, hogy miért és hogyan fagyott be a kontinens.
Ma az Antarktisz körülbelül A bolygó jégének és fagyott édesvízének 70-90%-aHa az összes jég elolvadna, a globális tengerszint körülbelül 58 méterrel emelkedhetne, ami teljesen átrajzolhatná a nagyobb tengerparti városok térképét.
A tengerszintre és a jelenlegi gleccserekre gyakorolt hatás
Az Antarktisz alatti gravitációs depresszió ingadozása nem csak a múlté. A tudósok rámutatnak, hogy a regionális geoid változásai befolyásolják a relatív tengerszint feletti magasság a térségben, és ennek következtében a jégselfek és a part menti gleccserek stabilitásának feltételei.
Ha az antarktiszi környezetben megváltozik a gravitáció, az óceánvíz kissé újraeloszlik, megváltoztatva az úszó platformokra gyakorolt nyomást és azok helyzetét. gleccserek támasztóvonalai (azok a pontok, ahol a jég elveszíti a kapcsolatot a sziklával és elkezd lebegni). Ennek a geometriának a jelentős megváltozása bizonyos platformokat sebezhetőbbé tehet a repedésekkel szemben.
Ugyanakkor az izosztatikus beállítás és a belső hőáramlás esetleges változása befolyásolja, hogyan csúszik a jég a tengerbe. Egyes helyeken a kőzetalapról való visszapattanás természetes féket jelenthet; máshol az alapmelegedés felgyorsítja az olvadást alulrólaminek következtében a jég elveszíti tapadását és könnyebben mozog.
Ezért a gravitációs lyuk, a helyi tengerszint és a gleccserek dinamikája közötti kapcsolat alapos megértése nem pusztán tudományos kuriózum: alapvető fontosságú a javítja a tengerszint-emelkedésre vonatkozó előrejelzéseket a következő évtizedekben és évszázadokban.
A Föld mély szerkezetéhez kapcsolódó anomália
Forte, Glišović és más csapatok munkája azt is sugallja, hogy az antarktiszi gravitációs lyuk összefüggésben állhat a ...-val/-vel. nagyon ősi geológiai struktúrák, mint például a kratonok és az ősi kontinentális lemezek töredékei, amelyek határai a jég alatt még mindig nem ismertek pontosan.
Az Antarktisz tektonikus blokkok valóságos mozaikja, melyek több százmillió év alatt álltak össze. A jelenlegi geoidmélyedés ősi események nyomait tükrözheti. tektonikus ütközések és átrendeződések amelyek "megfagytak" a köpenyben, és amelyek most kissé újra aktiválódnak a jégvesztés okozta terhelésváltozások miatt.
Ebben az értelemben a gravitációs lyuk egy a bolygó mély történelmének integrált mutatójaNemcsak az Antarktiszról, mint jeges kontinensről beszél, hanem arról is, hogyan formálta a Földet a köpeny konvekciója, a lemezes szubdukció és a kéreg deformációja több tízmillió év alatt.
A modellek azt mutatják, hogy az Antarktiszi Geoid Low régióban az anomália nagy részét kezdetben a mély köpenyrétegek okozták, de az elmúlt 35 millió évben a következők hozzájárulása... A felső és középső köpeny jelentősen megváltozottEz az evolúció megerősíti azt az elképzelést, hogy a Föld belseje egy dinamikus rendszer, amelyben a kőzetmozgások lassan, de folyamatosan átalakulnak.
Miért fontos ez a „gravitációs lyuk” az éghajlat és a jövő szempontjából?
A gravitáció néhány milligale-os eltérése jelentéktelen részletnek tűnhet, de valójában kulcsfontosságú a megértéshez. Hogyan hat egymásra a Föld belseje, felszíne és éghajlata?A gravitáció határozza meg az óceánok alakját, a jégtakarók viselkedését, és végső soron a partvonalak elhelyezkedését.
A jelenlegi és jövőbeli műholdmissziók, a globális szeizmikus hálózatokkal együtt, tovább finomítják majd az Antarktisz alatti gravitációs lyukról és a bolygón szétszórt egyéb anomáliákról alkotott ismereteinket. Minden egyes mért milligal töredéke és a geodinamikai modellek minden egyes fejlesztése részletesebben mutatja be ezt a jelenséget. „bolygóméretű szkenner” hogy építünk.
Sok minden még tisztázandó: milyen mértékben befolyásolják a geoidváltozások az antarktiszi jégolvadás sebességét, hogyan változik a regionális tengerszint-mintázat, vagy hogyan befolyásolják a bolygó belső átalakulásai a hosszú távú éghajlatot. De az alapvető üzenet világos: Nem érthetjük meg az éghajlatot anélkül, hogy belenéznénk a Föld belsejébe.
Az antarktiszi gravitációs lyuk arra emlékeztet minket, hogy a látszólag mozdulatlan fehér jég alatt a sziklák tízmillió éve mozognak, süllyednek és emelkednek néma táncot járva. Ez a lassú, de kitartó koreográfia segített megfagyni egy egész kontinenst, átalakította az óceánokat, és továbbra is diszkréten, de határozottan befolyásolja partvonalaink és globális éghajlatunk jövőjét.
