Dünya'nın kütle merkezi her yıl milimetrelerce kayıyor: JPL salınımı yeniden ölçtü

Dünya'nın kütle merkezi sabit bir nokta değil. Okyanuslardaki su, karalardaki kar ve buz, atmosferdeki hava mevsimden mevsime yer değiştirdikçe gezegenin ağırlık merkezi de birkaç milimetre ileri geri kayıyor. NASA'nın Jet İtki Laboratuvarı'ndan (JPL) jeofizikçi Donald Argus'un yürüttüğü ve Geophysical Journal International'da yayımlanan çalışma, bu yıllık salınımı şimdiye kadarki en tutarlı biçimde ölçtü. Sonuca göre hareketin büyüklüğü, yaklaşık sekiz yıl önceki tahminlerin yarısı kadar.

Milimetrelerin neden önemi var?

GPS gibi uydu konumlandırma sistemleri, deniz seviyesi ölçümleri ve uydu yörünge hesapları, Dünya'ya bağlı bir referans çerçevesine dayanıyor. Bu çerçevenin başlangıç noktası, gezegenin kütle merkezi. Uydular bu merkezin çevresinde dolanıyor; yerdeki istasyonların konumu ise kabuğa bağlı. İkisi arasındaki ilişki bilinmeden milimetre düzeyinde hassas ölçüm yapmak mümkün değil.

Sorun, bu hareketin ölçülmesinin son derece zor olması. 2017 ve 2023'te yayımlanan iki uluslararası referans çerçevesi çözümü arasında yaklaşık 7 milimetrelik bir fark bulunuyor; bu, ölçülmeye çalışılan hareketin kendisiyle hemen hemen aynı büyüklükte. JPL'den Felix Landerer, bu hareketlerin çok küçük göründüğünü ama günümüzün hassas konumlandırma sistemlerinin bunlara dayandığını vurguluyor. Referans sistemleri daha iyi anlaşıldıkça küresel taşımacılık, hassas tarım ve haritacılık gibi alanlarda daha güvenilir hizmet sunulabileceğini belirtiyor.

Disko topuna benzeyen uydular

Kütle merkezinin hareketini izlemenin klasik yolu, lazerle izlenen jeodezi uyduları. Bunların en bilineni, NASA'nın 1976'da fırlattığı LAGEOS-1 ve İtalya Uzay Ajansı ile birlikte 1992'de uzay mekiğiyle yörüngeye bırakılan LAGEOS-2. Her biri yaklaşık 60 santimetre çapında, yaklaşık 400 kilogram ağırlığında, alüminyum kaplı pirinç birer küre. Yüzeylerindeki 426 köşe yansıtıcı, onlara disko topu görünümü veriyor. İçlerinde hiçbir elektronik bulunmuyor.

Yerdeki istasyonlar bu uydulara lazer darbeleri gönderiyor ve ışığın gidip dönme süresini ölçerek uzaklığı çok hassas biçimde hesaplıyor. Uydular yaklaşık 5.900 kilometre yükseklikte, son derece kararlı yörüngelerde dolandığı için, Dünya'nın kütle merkezinin konumuna dair en güvenilir referanslardan birini sunuyor. Ancak lazer istasyonlarının coğrafi dağılımı dengesiz; çoğu kuzey yarımkürede toplanmış durumda. Bu da tek başına LAGEOS verileriyle yapılan tahminlerde sistematik hatalara yol açabiliyor.

Üç veri kaynağı, bir sonuç

Argus ve ekibi bu eksikliği iki yoldan gidermeye çalıştı. Önce LAGEOS lazer ölçümlerini, alçak yörüngedeki çok sayıda uydunun GPS ile belirlenen yörünge verileriyle birleştirerek daha geniş ve dengeli bir gözlem ağı oluşturdular. Ardından, su ve buzun ağırlığının yer kabuğunu esnetmesi nedeniyle ölçüm istasyonlarının kendisinin de mevsimsel olarak hafifçe yer değiştirdiğini hesaba kattılar. Bir bölgede kar ya da su biriktiğinde kabuk aşağı çöker, yük kalkınca yeniden yükselir. Bu esneme dikkate alınmadığında kütle merkezinin hareketi olduğundan farklı görünebiliyor. Çalışmaya JPL'in yanı sıra Nevada Üniversitesi ve Almanya'daki GFZ Helmholtz Yerbilimleri Merkezi'nden araştırmacılar katıldı.

Sonuç, beklenenden daha sakin bir gezegen. Argus'a göre kütle merkezinin yıl içindeki ileri geri hareketi, önceki tahminlerin yaklaşık yarısı kadar. Bu da suyun ve havanın iki yarımküre arasında, varsayılandan daha az kütle taşıdığı anlamına geliyor.

Kar, yağmur ve okyanus: kütleyi kim taşıyor?

Araştırmacılar mevsimsel kütle değişimini üç ana kaynağa bağlıyor: okyanuslar, atmosfer ve karalardaki su. Sonuncusu kar örtüsünü, buzulları, gölleri, nehirleri, toprak nemini ve yeraltı sularını kapsıyor. Kuzey yarımkürenin karaları güneye göre çok daha geniş olduğu için kış boyunca Kuzey Amerika ve Avrasya'da biriken kar, kütle merkezini belirgin biçimde etkiliyor. Çalışmaya göre Mart ayında bu kar yükü merkezi yaklaşık 3 milimetre kadar kuzeye doğru çekiyor. Nisan'da Amazon havzasındaki yağışlarla biriken yaklaşık 2,4 trilyon ton su ise merkezi Güney Amerika yönünde yaklaşık 2,2 milimetre kaydırıyor. Güney ve Güneydoğu Asya'daki muson yağmurları da yüzlerce gigatonluk suyla benzer bir etki yaratıyor.

Bu ölçümler yalnızca jeodezi uzmanlarını ilgilendirmiyor. Küresel deniz seviyesindeki yükselişi milimetre hassasiyetinde izleyen uydu altimetre görevleri, sonuçlarını bu referans çerçevesine göre hesaplıyor. Kütle merkezinin hareketinin hatalı modellenmesi, deniz seviyesi eğilimlerinin bölgesel olarak yanlış yorumlanmasına yol açabilir. GRACE-FO gibi gezegenin kütleçekim alanındaki değişimleri ölçen görevlerin verileri de bu düzeltmelere dayanıyor.

Yeni yöntemin bir sonraki adımı, sonuçların bir sonraki uluslararası referans çerçevesi çözümüne dahil edilip edilmeyeceği. Çalışma, çok küçük görünen bir hareketin ne kadar zor ölçüldüğünü ve bu ölçümün yeryüzündeki gündelik teknolojilere nasıl dokunduğunu gösteriyor.