Miért gyengébb a gravitáció az Antarktisz felett? Egy új tanulmány megmagyarázza a Föld legerősebb gravitációs mélyedésének kialakulását. Úgy tűnik, hogy a gravitáció a Földön mindenütt egyformán hat. Valójában ez csak megközelítőleg igaz. Attól függően, hogyan oszlik el a tömeg bolygónk belsejében, a Föld vonzereje térségenként eltérő erősségű. Különösen feltűnő egy, az antarktiszi Ross-tenger felett található terület. Itt helyezkedik el az úgynevezett Antarctic Geoid Low, röviden AGL, vagyis a Föld legerősebb nem hidrosztatikus geoidminimuma.
Ez a rendkívüli gravitációs tér régóta ismert. Mindeddig azonban nem volt világos, hogyan alakult ki, és miért maradt fenn napjainkig. Egy nemzetközi kutatócsoport most első alkalommal rekonstruálta ezt a fejlődést 70 millió éves időszakra visszamenőleg. Az eredmények új betekintést nyújtanak a földköpeny dinamikájába, és megmutatják, milyen szorosan kapcsolódnak össze a Föld mélyén zajló folyamatok bolygónk gravitációs terével.
Egy gravitációs lyuk, amely valójában nem az
A „gravitációs lyuk” kifejezés szigorúan véve nem teljesen pontos. Valójában egy olyan térségről van szó, ahol a Föld vonzereje valamivel gyengébb a globális átlagnál. Az emberek ezt a különbséget nem érzékelnék, a modern műholdak és a nagy pontosságú mérések azonban igen. A kérdés ugyanakkor nem ennyire egyszerű. Attól függően, hogy a kutatók milyen módon határozzák meg összehasonlítási alapként a Föld ideális alakját, eltérő kép rajzolódik ki. A klasszikus geodéziában a legerősebb negatív geoidanomália az Indiai-óceánon található. Az új tanulmány ezzel szemben kizárólag a gravitációs térnek azt a részét vizsgálja, amely a Föld belsejében zajló folyamatok következtében alakul ki. Ezzel a módszerrel egyértelműen az Antarktisz felett mutatkozik a legerősebb geoidminimum. A geoidot leegyszerűsítve úgy képzelhetjük el, mint azt az alakot, amelyet a tengerfelszín hullámok, áramlatok és árapály nélkül, kizárólag a gravitáció hatására felvenne. Az Antarctic Geoid Low felett ez az elméleti tengerfelszín a Föld középpontjához viszonyítva valamivel alacsonyabban helyezkedik el, mint az erősebb gravitációjú területeken.
Első alkalommal rekonstruálták a földtörténet 70 millió évét
A tanulmány valódi újdonsága tehát nem magának az Antarctic Geoid Lownak a felfedezése. Az újdonság sokkal inkább az, hogy rekonstruálták az elmúlt 70 millió év során végbement fejlődését. Ehhez Alessandro Forte kutatócsoportja a szeizmikus tomográfiát a köpenykonvekció numerikus modelljeivel kombinálta. A szeizmikus tomográfia az orvostudományban használt komputertomográfiához hasonlóan működik. Röntgensugarak helyett azonban földrengéshullámok segítségével teszi láthatóvá a Föld belsejét. „Képzeljék el, hogy CT-felvételt készítenek az egész Földről, csakhogy nincsenek röntgensugaraink, mint egy orvosi rendelőben. Nekünk földrengéseink vannak” – magyarázza Forte. Ezt követően a kutatók egy úgynevezett back-and-forth nudging, vagyis oda-vissza korrigáló eljárás segítségével lépésről lépésre rekonstruálták a köpenyáramlások korábbi fejlődését. Ennek révén első alkalommal vált követhetővé, hogyan változott a geoidminimum erőssége és elhelyezkedése a Föld története során.
Forró és hideg köpenyáramlások alakítják a gravitációs teret
A gravitáció közvetlenül függ a Föld belsejében található tömeg eloszlásától. A hideg kőzet sűrűsége nagyobb, mint a forró köpenyanyagé, ezért eltérő módon befolyásolja a gravitációs teret. A szimulációk azt mutatják, hogy a Ross-tenger alatt két folyamat együttesen fejti ki hatását. Egyrészt régi óceáni litoszféralemezek maradványai találhatók ott, amelyek évmilliók során mélyre süllyedtek a köpenyben. Ezek a sűrű kőzettömegek erősítik a gravitációs teret. Ezzel egyidejűleg a köpeny alsó részéből forró, kisebb sűrűségű anyag emelkedik fel. Ez a nagy térségre kiterjedő köpenyfeláramlás felhajtóerőt hoz létre, és szintén megváltoztatja a gravitációs potenciált. Csak a két folyamat együttes hatása magyarázza az Antarctic Geoid Low rendkívüli erősségét. A korábbi modellek elsősorban a lesüllyedt lemezeket tekintették az okának. Az új rekonstrukció ezzel szemben azt mutatja, hogy a forró köpenyfeláramlás is jelentős mértékben hozzájárul a mai gravitációs tér kialakulásához.
A geoidminimum változott a Föld története során
A számítások azt is megmutatják, hogy az Antarctic Geoid Low korántsem statikus képződmény. Erőssége és térbeli kiterjedése az elmúlt 70 millió év során többször is megváltozott. Különösen a jelen előtti mintegy 50 és 30 millió év közötti időszakban következtek be jelentős változások. Körülbelül 35 millió éve az 1300 kilométernél kisebb mélységben található köpenyszerkezetek is hozzájárulnak a geoidminimum erősödéséhez. A modellszámítások szerint ennek következtében hosszú távon mintegy 30 százalékkal vált kifejezettebbé. A köpeny legmélyebb tartományai ennek ellenére továbbra is meghatározóak. A számítások szerint a jel tartósan mintegy 30-50 százaléka a földköpeny alsó, körülbelül 1000 kilométer vastag részéből származik.
A Föld forgása is reagál
A tömegeloszlás változásai nemcsak a gravitációs térre hatnak. Megváltoztatják a Föld tehetetlenségi nyomatékát is, és ezáltal hosszú távon az egész bolygó térbeli helyzetét is befolyásolhatják. Ezt a folyamatot valódi pólusvándorlásnak, angolul True Polar Wandernek nevezik. Ennek során nem a forgástengely mozdul el a térben, hanem a szilárd Föld rendeződik át a forgástengelyéhez képest. Figyelemre méltó, hogy a rekonstruált geoidváltozások jól egybevágnak a paleomágneses adatokkal. Ezeket egymástól függetlenül, kőzetekből nyerték, és megerősítik a modellszámításokat.
Milyen következményekkel jár ez a tengerre és a jégre nézve?
A geoid határozza meg a nyugalomban lévő óceánfelszín alakját. Ha a gravitációs tér geológiai időléptékben megváltozik, azzal együtt a relatív tengerszint is változik. A szilárd földfelszín és a tenger ugyanakkor eltérő módon reagál a Föld belsejében zajló folyamatokra. Feltűnő, hogy az Antarctic Geoid Low legerőteljesebb változásai időben egybeesnek az Antarktisz mintegy 34 millió évvel ezelőtti, nagy térségre kiterjedő eljegesedésével. A tanulmányból azonban nem állapítható meg, hogy a két esemény között valóban oksági kapcsolat áll-e fenn. A szerzők inkább a jövőbeli kutatások egyik lehetséges kiindulópontját látják ebben. Azt kívánják megvizsgálni, hogy a geoid változásai hosszú távon befolyásolhatták-e az antarktiszi jégtakarók fejlődésének peremfeltételeit.
Valóban felfelé folyik ott a víz?
Az Antarctic Geoid Low kapcsán újra és újra elhangzik az az állítás, hogy a víz ott „felfelé” folyik. Ez szó szerint nem igaz. Mivel a nyugalomban lévő tengerfelszín a geoidhoz igazodik, a geoidminimum felett a Föld középpontjához viszonyítva valamivel alacsonyabban helyezkedik el, mint az erősebb gravitációjú területeken. Összehasonlításban ezért úgy tűnhet, mintha a víznek a nagyobb gravitáció irányába felfelé kellene emelkednie. Valójában azonban mindenkor a gravitációs potenciált követi.
Ablak a Föld belsejére
A tanulmány első alkalommal nyújt következetes rekonstrukciót a Föld legerősebb nem hidrosztatikus geoidminimumának kialakulásáról és fejlődéséről. Megmutatja, hogy az Antarctic Geoid Low lesüllyedt litoszféralemezek és felemelkedő köpenyanyag összetett kölcsönhatásának eredménye, amely sok millió év alatt alakult ki. Az eredmények egyúttal azt is hangsúlyozzák, milyen szorosan kapcsolódik egymáshoz a köpenydinamika, a gravitációs tér, a tengerszint és a Föld forgása. Azt, hogy ezek a folyamatok hosszú távon milyen szerepet játszottak az Antarktisz fejlődésében, a jövőbeli kutatásoknak kell tisztázniuk.
