Ziemia nie jest idealną kulą, jej kształt jest w przybliżeniu elipsoidą, co oznacza, że odległość od środka Ziemi na równiku jest większa niż promień biegunowy. Kształt ten ma wpływ na pole grawitacyjne Ziemi, wartość przyspieszenia ziemskiego g zmienia się w zależności od szerokości geograficznej. Od 1997 roku zaobserwowano drastyczne zmiany w polu grawitacyjnym Ziemi, wybrzuszenie na równiku jeszcze się powiększyło. Badaczom z JPL udało się powiązać ten proces ze zmianami klimatycznymi takimi jak topnienie lodowców subpolarnych i zmianami rozmieszczenia masy oceanicznej na Oceanach Indyjskim i Spokojnym.

W epoce lodowcowej lądolód pokrył większość lądu, co spowodowało deformację skorupy ziemskiej” – mówi dr Jean Dickey z JPL. – “Kiedy epoka lodowcowa się skończyła, pokrywa lodowcowa stopniowo zanikła, pozostawiając tylko gdzieniegdzie lodowce. Ziemia nie jest zbyt elastyczna i na zmiany te odpowiadała stopniowo i wolno w skali dziesiątek tysięcy lat. Rozmieszczenie masy uległo zmianie, więcej znalazło się jej na wyższych szerokościach, a Ziemia stała się bardziej sferyczna. To zjawisko, odbicie polodowcowe, nadal się posuwa, ponieważ płaszcz Ziemi odpowiada tak wolno“.

W 1998 roku satelity zaczęły dostarczać danych wskazujących na ponowne zwiększenie się spłaszczenia pola grawitacyjnego Ziemi. Aby odkryć, co powoduje te zmiany, Dickey i jej koledzy skupili się na oceanach, gdzie około 1997 roku pojawiły się El Nino, Oscylacja Południowa i cykl klimatyczny zwany Dekadalną Oscylacją Pacyficzną. Pomiary oceanograficzne poziomu morza wykonane przez satelitę Topex-Poseidon i model komputerowy cyrkulacji oceanicznej pozwoliły stwierdzić, że znaczna ilość wody przesunęła się w rejony tropikalne.

Naukowcy zbadali również lodowce górskie i polarne (na podstawie danych z National Snow and Ice Data Center z ostatnich 37 lat), badając, jaki efekt mogły one mieć ma zmiany pola grawitacyjnego. Dane mówiły o topnieniu lodowców w latach 60-80, które pod koniec lat dziewięćdziesiątych jeszcze zwiększyło tempo. Podczas gdy średnie tempo topnienia w latach 80-89 wynosiło 100 kilometrów sześciennych rocznie, w latach 1997 i 1998 odpowiednio 320 i 540.

Zjawiska topnienia lodowców i zmiany rozmieszczenia masy oceanicznej zdają się łączyć ze zmianami w polu grawitacyjnym Ziemi. Związek zmian klimatycznych z rozmieszczeniem masy wodnej pozostaje jeszcze do ustalenia.

Historia badań kształtu Ziemi

Poglądy na kształt i rozmiary naszej planety zmieniały się na przestrzeni wieków. Początkowo uważano Ziemię za płaszczyznę, takie wyobrażenie znajduje się w Starym Testamencie czy w pracach Talesa z Miletu. Kulistości kształtu Ziemi dowodził w VI wieku przed naszą erą Pitagoras, lecz dla niego fakt ten miał wymiar filozoficzny, gdyż uznawał on kulę za najdoskonalszą z brył, którą Ziemia, jako twór bogów, powinna być.

Potem zaczęto na poparcie tego faktu dostarczać dowodów, takich jak kolisty kształt horyzontu. Szereg potwierdzeń tego faktu zebrał Arystoteles, wśród nich są dobrze znane stopniowe wyłanianie się obiektów zza horyzontu, zmiany wysokości położenia bieguna światła przy posuwaniu się wzdłuż południka, kolisty cień Ziemi na Księżycu podczas zaćmienia. Dokonano pierwszych pomiarów obwodu Ziemi. Warto w tym miejscu wspomnieć, że Eratostenes z Cyreny wyznaczył długość obwodu południka Ziemi na około 39800 kilometrów, podczas gdy obecnie przyjmuje się, że jest to 40 007 kilometrów.

W połowie XVI wieku doświadczalnym potwierdzeniem kształtu Ziemi była wyprawa dookoła świata Ferdynanda Magellana.

Kolejny postęp w zakresie rozwoju wiedzy o kształcie Ziemi przyniósł XVII wiek. Wykonano wówczas pierwsze pomiary powierzchni oparte na triangulacji. Możliwe stały się bardzo dokładne pomiary długości jednostopniowych łuków południków w różnych miejscach globu. W ten sposób potwierdzono przewidziane teoretycznie przez Newtona i Huygensa spłaszczenie biegunowe Ziemi, wynikające z jej ruchu obrotowego. Wykazano, że Ziemia jest elipsoidą obrotową. Coraz dokładniejsze pomiary metryczne i grawimetryczne pozwoliły na coraz lepsze matematyczne przybliżenia powierzchni ziemskiej.

XX wiek przyniósł nowe możliwości w postaci badań satelitarnych. Na podstawie obserwacji położenia sztucznych satelitów i perturbacji ich orbit określono podstawowe parametry naszej planety. Długość promienia równikowego wyliczono na 6378,14 a biegunowego na 6356,75 kilometrów; różnica wynosi 21 389 metrów. Obserwacje satelitarne wskazują, że liczby te mogą się minimalnie zmieniać. Różnica, choć niewielka, ma jednak pewne znaczenie. Na przykład najwyższy szczyt świata, Mount Everest nie jest najbardziej oddalonym punktem od środka Ziemi, którym jest szczyt Chimborazo (6 310 metrów). Ciekawym efektem jest również fakt, że niektóre rzeki, jak Wołga czy Missisipi płyną “pod górę”, ich źródła znajdują się bliżej środka Ziemi niż ujścia.

Szczegółowe pomiary satelitarne pozwoliły dalej skorygować model bryły ziemskiej. Ponieważ okazało się, że równik nie ma kształtu koła, a elipsy, Ziemię należy uznać za elipsoidę trójosiową. Jednak różnica między prostopadłymi promieniami równika wynosi tylko 213 metrów. Kształt Ziemi określono również jako gruszkowaty albo sercowaty: promień bieguna północnego jest o 100 metrów krótszy od promienia bieguna południowego, półkule: północna i południowa nie są symetryczne, równoleżniki półkuli południowej są nieznacznie dłuższe od odpowiadająch im równoleżników półkuli północnej. Bryle tej nadano nazwę elipsoidy kardioidalnej.

Najpopularniejszym chyba określeniem kształtu Ziemi jest geoida. Oznacza to bryłę, której powierzchnia jest w każdym miejscu prostopadła do kierunku siły grawitacji. Powierzchnia wody (pomijając pływy i falowanie) dostosowuje się zawsze w ten sposób do wielkości i kierunku siły grawitacji, więc geoida pokrywa się na obszarze oceanów z ich powierzchnią. Odchylenie geoidy od elipsoidy waha się od 0 do stu kilkudziesięciu metrów i najczęściej przyjmuje się, że leży “pod” elipsoidą (bliżej wybrzeży wektor siły ciężkości skręca nieznacznie w kierunku masy lądowej) – powierzchnia oceanów jest z tego punktu widzenia “wklęsła”. W rzeczywistości jednak równie często bywa na odwrót – w związku z większą gęstością skorupy oceanicznej wektor grawitacji skręca w kierunku oceanów, co powoduje, że ich powierzchnię można nazwać “wypukłą”.

Na obszarze lądów geoida ma czysto umowny charakter. Matematycznie obliczona powierzchnia geoidy, jak i elipsoidy przebiega pod rzeczywistą, nieregularną powierzchnią Ziemi.

Podsumowując, Ziemia jest bryłą o kształcie nieregularnym, zbliżonym do elipsoidy kardioidalnej, a w obrębie oceanów – do geoidy.

Dalece dokładniejsze od dotychczasowych badania nad polem grawitacyjnym Ziemi będzie prowadził satelita GRACE dostarczył pierwszej mapy ziemskiego pola grawitacyjnego“>Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Misja dostarczy znacznie dokładniejszych od dotychczasowych map pola grawitacyjnego. Pozwoli na śledzenie przemieszczania się wody na i pod powierzchnią Ziemi, zmian pokrywy lodowcowej, poziomu mórz i prądów oceanicznych oraz zmian zachodzących pod powierzchnią Ziemi.

Autor

Anna Marszałek