Человечество изучает Землю на протяжении тысячелетий, однако большая часть нашей планеты по-прежнему остаётся недоступной для прямых наблюдений. Самые глубокие скважины проникли лишь на несколько километров в земную кору, тогда как расстояние до центра Земли превышает 6300 километров. Всё, что находится глубже, приходится исследовать косвенными методами.
Одним из наиболее эффективных инструментов такого исследования стали спутники. Новая работа международной группы учёных показывает, что данные, собранные тремя космическими аппаратами, позволяют отслеживать процессы, происходящие внутри Земли, и даже наблюдать за перемещением огромных масс вещества под поверхностью планеты.
Исследование основано на данных спутниковой миссии GRACE и её преемника GRACE Follow-On. Эти аппараты уже много лет помогают учёным изучать распределение массы на Земле и фиксировать изменения, которые невозможно заметить обычными методами наблюдения.
Как спутники могут изучать недра Земли
На первый взгляд идея кажется необычной. Спутники находятся на высоте сотен километров над поверхностью планеты, а интересующие исследователей процессы происходят глубоко под землёй. Однако связь между ними существует благодаря гравитации.
Гравитационное поле Земли не является идеально равномерным. В разных регионах планеты плотность вещества отличается. Горные массивы, океанические впадины, крупные подземные структуры и даже запасы грунтовых вод оказывают влияние на локальную силу притяжения.
Когда спутник пролетает над областью с большей концентрацией массы, он испытывает небольшое изменение скорости. Эти изменения чрезвычайно малы, но современные приборы способны фиксировать их с высокой точностью.
Именно такие измерения позволяют строить подробные карты распределения массы внутри планеты.
Особенность миссии GRACE
Миссия GRACE была запущена для изучения гравитационного поля Земли новым способом.
Вместо одного аппарата использовалась пара спутников, следующих друг за другом по одной орбите. Расстояние между ними постоянно измерялось с точностью до микронов.
Если первый спутник проходил над областью с повышенной гравитацией, он слегка ускорялся. Через некоторое время тот же эффект испытывал второй аппарат. Изменения расстояния между спутниками позволяли вычислять особенности распределения массы под ними.
Позже программу продолжила миссия GRACE Follow-On, использующая ещё более совершенные технологии измерений.
Совместно эти аппараты сформировали один из самых ценных массивов данных о динамике нашей планеты.
Почему учёным понадобились сразу три спутника
Новое исследование показало, что объединение данных нескольких аппаратов позволяет получить гораздо более детальную информацию о происходящих процессах.
Использование спутниковой триады помогает точнее отслеживать изменения гравитационного поля и уменьшать влияние различных помех. В результате исследователи получают возможность наблюдать за процессами, которые ранее было сложно выделить на фоне множества других факторов.
Подобный подход открывает новые возможности для изучения как поверхности Земли, так и её внутренних областей.
Земля постоянно меняется
Хотя поверхность планеты может казаться стабильной, в действительности Земля находится в постоянном движении.
Под литосферными плитами медленно перемещается горячее вещество мантии. Происходят процессы подъёма и опускания земной коры. Перераспределяются огромные объёмы воды. Меняются ледники и ледяные щиты.
Все эти процессы влияют на распределение массы планеты и, следовательно, на её гравитационное поле.
Спутниковые наблюдения позволяют фиксировать эти изменения практически в режиме реального времени.
Что происходит глубоко под поверхностью
Особый интерес исследователей вызывает мантия Земли.
Она занимает большую часть объёма планеты и представляет собой слой горячих пород между ядром и корой. Несмотря на твёрдое состояние, вещество мантии способно очень медленно течь под воздействием высоких температур и давления.
Эти движения играют ключевую роль в работе всей планеты. Именно они приводят к дрейфу континентов, образованию горных систем, вулканической активности и возникновению океанических хребтов.
Наблюдать такие процессы напрямую невозможно. Однако изменения гравитационного поля позволяют обнаруживать связанные с ними перемещения вещества.
Гравитация как инструмент геологии
Традиционная геология опирается на данные полевых исследований, бурения и анализа пород. Однако спутниковая гравиметрия добавляет совершенно новый уровень информации.
Она позволяет видеть процессы, происходящие на масштабах целых континентов и океанов.
Например, учёные могут отслеживать движение крупных мантийных структур, изучать изменения формы земной коры после таяния ледников или оценивать перераспределение массы в результате тектонической активности.
Фактически гравитационные данные превращаются в своеобразный рентгеновский снимок планеты.
Влияние ледников и океанов
Одним из наиболее заметных источников изменений гравитационного поля являются ледяные щиты.
Когда огромные массы льда тают, происходит перераспределение вещества между сушей и океаном. Это влияет не только на уровень моря, но и на форму земной коры.
После исчезновения ледников поверхность начинает постепенно подниматься, освобождаясь от многотысячелетней нагрузки. Такой процесс продолжается тысячи лет и может быть зафиксирован спутниками.
Наблюдения показывают, что изменения, начавшиеся после окончания последнего ледникового периода, продолжаются до сих пор.
Изучение водных ресурсов
Спутниковая гравиметрия оказалась полезной не только для фундаментальной науки.
Она позволяет измерять изменения запасов пресной воды в различных регионах мира. Поскольку вода обладает массой, её накопление или потеря отражаются в гравитационном поле.
Благодаря этому учёные могут отслеживать состояние крупных подземных водоносных горизонтов, контролировать последствия засух и оценивать влияние человеческой деятельности на водные ресурсы.
Во многих случаях такие данные оказываются недоступными традиционными методами наблюдения.
Новые возможности для понимания внутреннего строения Земли
Исследование показывает, что современные спутниковые технологии постепенно превращаются в один из важнейших инструментов наук о Земле.
Если раньше для изучения недр исследователи были вынуждены полагаться главным образом на данные сейсмологии, то теперь появляется возможность использовать независимый источник информации — гравитационные измерения из космоса.
Сочетание различных методов позволяет получать более полную картину процессов, происходящих внутри планеты.
Особенно важно, что такие наблюдения охватывают всю Землю сразу, а не отдельные регионы.
Почему это важно для будущих исследований
Понимание внутренних процессов Земли имеет значение далеко не только для академической науки.
Движение вещества в недрах влияет на вулканизм, тектоническую активность, распределение природных ресурсов и долгосрочные изменения климата. Чем лучше учёные понимают эти процессы, тем точнее могут строиться модели развития планеты.
Кроме того, новые методы исследования помогают лучше прогнозировать последствия изменений окружающей среды и оценивать их влияние на человеческую цивилизацию.
Спутниковые данные становятся всё более важной частью глобальной системы наблюдения за Землёй.
Космос помогает изучать собственную планету
Парадоксально, но для понимания глубин Земли человечеству всё чаще приходится смотреть не вниз, а вверх.
Современные спутники способны фиксировать мельчайшие изменения гравитационного поля, вызванные движением вещества внутри планеты. Благодаря этим наблюдениям учёные получают уникальную возможность исследовать области, которые никогда не будут доступны прямому изучению.
Новая работа демонстрирует, насколько ценными становятся космические технологии для наук о Земле. Три спутника, движущиеся по орбите на высоте сотен километров, помогают раскрывать процессы, происходящие на глубине тысяч километров под нашими ногами. По мере развития подобных миссий исследователи смогут ещё точнее отслеживать внутреннюю динамику планеты и лучше понимать механизмы, которые определяют её эволюцию на протяжении миллиардов лет.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
Спутники способны фиксировать мельчайшие изменения гравитационного поля и другие параметры, которые помогают косвенно оценивать процессы, происходящие под поверхностью планеты.