چرخش زمین را چگونه اندازه می‌گیرند؟ راز سنجش دقیق طول شبانه‌روز در چند میلی‌ثانیه

به گزارش مجله خبری نگار، در بازه ۱۹۶۴ تا ۲۰۱۹، گشتاور گرانشی ناشی از برهم‌کنش Inner Core با Mantle می‌تواند عامل اصلی تغییرات چنددهه‌ای طول روز باشد؛ در حالی که گشتاور‌های الکترومغناطیسی و توپوگرافی در مرز هسته و گوشته عمدتاً در برابر آن عمل می‌کنند.

۲۴ ساعت یک مقدار قراردادی است: طول واقعی روز زمین ثابت نیست و در مقیاس‌های زمانی مختلف تغییر می‌کند.

هسته زمین نقش مهمی دارد: مطالعه Nature نشان می‌دهد گشتاور گرانشی ناشی از Inner Core می‌تواند عامل اصلی تغییرات چنددهه‌ای LOD در بازه ۱۹۶۴ تا ۲۰۱۹ باشد.

چند میلی‌ثانیه برای ما کوچک است، اما برای فناوری دقیق مهم است: UT۱، UTC و پایش چرخش زمین به هماهنگی زمان‌سنجی، ناوبری و سامانه‌های دقیق کمک می‌کنند.

طول روز زمین واقعاً چقدر است؟

وقتی می‌گوییم یک شبانه‌روز ۲۴ ساعت است، در واقع از یک مقدار قراردادی و بسیار مناسب برای زندگی روزمره صحبت می‌کنیم. چرخش واقعی زمین اندکی تغییر می‌کند و در نتیجه مدت زمانی که زمین برای یک چرخش نسبت به دستگاه مرجع نجومی نیاز دارد نیز ثابت نمی‌ماند.

Length of Day یا LOD معیاری برای بیان اختلاف طول واقعی روز با ۸۶٬۴۰۰ ثانیه استاندارد SI است. این کمیت معمولاً بر حسب میلی‌ثانیه در روز گزارش می‌شود و از تغییرات روزانه UT۱-UTC نیز می‌توان برای تعیین آن استفاده کرد؛ بنابراین اگر LOD مثلاً چند میلی‌ثانیه افزایش پیدا کند، معنایش این نیست که ناگهان ساعت‌های مچی ما چند ثانیه عقب افتاده‌اند. معنایش این است که چرخش واقعی زمین در آن بازه اندکی کندتر شده و یک چرخش کامل زمین نسبت به مقدار مرجع، چند هزارم ثانیه بیشتر طول کشیده است.

همین مقدار کوچک برای زندگی روزمره تقریباً نامحسوس است، اما برای سامانه‌هایی که موقعیت و زمان را با دقت بسیار بالا به یکدیگر متصل می‌کنند، اهمیت دارد.

چرخش زمین را چگونه اندازه می‌گیرند؟

دانشمندان برای اندازه‌گیری چرخش زمین فقط به ساعت‌های روی سطح زمین نگاه نمی‌کنند. آنها موقعیت زمین را نسبت به اجرام بسیار دور آسمان بررسی می‌کنند.

یکی از روش‌های مهم Very Long Baseline Interferometry یا VLBI است. در این روش شبکه‌ای از رادیوتلسکوپ‌ها سیگنال اجرام بسیار دور مانند اختروش‌ها را دریافت می‌کنند. از تغییرات بسیار دقیق زمان رسیدن این سیگنال‌ها می‌توان وضعیت چرخش زمین را تعیین کرد.

به این ترتیب، تغییرات بسیار کوچک سرعت چرخش زمین قابل مشاهده و پیگیری هستند.

چرا چند میلی‌ثانیه مهم است؟

یک میلی‌ثانیه فقط ۰٫۰۰۱ ثانیه است؛ بنابراین تغییر چند میلی‌ثانیه‌ای در طول روز برای انسان قابل احساس نیست.

اما وقتی چنین اختلاف کوچکی در مقیاس سال‌ها و دهه‌ها جمع می‌شود، می‌تواند فاصله میان «زمان تعریف‌شده با ساعت‌های اتمی» و «زمانی که از چرخش واقعی زمین به دست می‌آید» را تغییر دهد. همین تفاوت است که برای سامانه‌های دقیق زمان‌سنجی اهمیت پیدا می‌کند.

چهار بازیگر اصلی درون زمین چه نقشی دارند؟

Inner Core؛ توپ فلزی جامد در مرکز زمین

Inner Core بخش جامد هسته زمین است که عمدتاً از آهن تشکیل شده است. این بخش درون Liquid Outer Core قرار دارد و می‌تواند نسبت به گوشته حرکت چرخشی متفاوتی داشته باشد.

مطالعه جدید نشان می‌دهد سرعت چرخش نسبی هسته داخلی در طول زمان تغییر کرده است. بر اساس بازسازی مورد استفاده پژوهش، این چرخش تا حدود سال ۲۰۱۰ روندی متفاوت داشت و پس از آن جهت تغییر نسبی آن عوض شد.

Liquid Outer Core؛ سیال فلزی متحرک

Liquid Outer Core از فلز مذاب تشکیل شده و جریان آن در تولید میدان مغناطیسی زمین نقش دارد. این جریان همچنین می‌تواند از راه‌های مختلف با بخش‌های جامد زمین تبادل گشتاور داشته باشد.

برای ساده‌سازی می‌توان تصور کرد که هسته بیرونی مانند یک اقیانوس فلزی درون زمین است؛ با این تفاوت که بسیار داغ، بسیار عمیق و رسانای الکتریکی است.

Mantle؛ بخش جامد عظیمی که با هسته کوپل می‌شود

Mantle گوشته سنگی زمین است که هسته را احاطه کرده است. وقتی گشتاوری به گوشته وارد می‌شود، سرعت چرخش آن تغییر می‌کند و این تغییر در نهایت خود را به شکل تغییر در LOD نشان می‌دهد.

مطالعه Nature تغییرات طول روز را به تبادل Angular Momentum میان هسته و گوشته مرتبط می‌کند. به زبان ساده، بخشی از تکانه زاویه‌ای می‌تواند بین اجزای مختلف زمین جابه‌جا شود؛ درست مانند سامانه‌ای که سرعت چرخش بخش‌های مختلف آن با یکدیگر مبادله می‌شود.

Angular Momentum؛ چرا تبادل آن مهم است؟

تکانه زاویه‌ای را می‌توان به‌طور ساده «مقدار حرکت چرخشی» یک جسم دانست. اگر یک بخش از زمین مقداری از تکانه زاویه‌ای خود را به بخش دیگری منتقل کند، سرعت چرخش آنها تغییر می‌کند.

در نتیجه، برای فهمیدن اینکه چرا طول روز زمین تغییر می‌کند، کافی نیست فقط بپرسیم «زمین چقدر سریع می‌چرخد؟». باید بپرسیم چه چیزی تکانه زاویه‌ای را بین هسته، گوشته، جو، اقیانوس‌ها و دیگر بخش‌های سامانه زمین جابه‌جا می‌کند؟

گشتاور گرانشی چگونه طول روز زمین را تغییر می‌دهد؟

پژوهش Huifeng Zhang و Mathieu Dumberry در Nature روی یک ایده کلیدی تمرکز دارد: نواحی چگال در هسته داخلی می‌توانند از طریق گرانش با ساختار‌های چگال در بخش پایینی گوشته برهم‌کنش کنند.

اگر توزیع جرم هسته داخلی و گوشته کاملاً هم‌راستا نباشد، گرانش می‌تواند نیرویی چرخاننده یا Gravitational Torque ایجاد کند. این گشتاور روی چرخش هسته و گوشته اثر می‌گذارد و در نتیجه LOD تغییر می‌کند.

تصویر ساده آن شبیه دو جسم نامتقارن است که جرم‌هایشان می‌خواهند در یک راستای مشخص قرار بگیرند. چرخش و جریان هسته بیرونی می‌تواند این هم‌راستایی را برهم بزند و گرانش دوباره تلاش کند آن را اصلاح کند.

گشتاور‌های مخالف کجا وارد می‌شوند؟

پژوهش جدید فقط گرانش را در نظر نمی‌گیرد. در مرز میان هسته و گوشته، دو سازوکار دیگر نیز مدل شده‌اند:

Electromagnetic Torque: برهم‌کنش میدان مغناطیسی ناشی از جریان هسته بیرونی با مواد رسانا در بخش‌های دیگر زمین.

Topographic Torque: برهم‌کنش جریان هسته سیال با ناهمواری‌ها و ساختار‌های مرزی در هسته و گوشته.

نتیجه مدل این بود که در تغییرات چنددهه‌ای مورد بررسی، گشتاور گرانشی نقش اصلی را در ایجاد تغییرات LOD دارد و گشتاور‌های الکترومغناطیسی و توپوگرافی بیشتر در جهت مقابله با آن عمل می‌کنند. بهترین برازش‌ها نشان دادند گشتاور گرانشی حدود یک تا دو برابر گشتاور الکترومغناطیسی است.

مدل Nature دقیقاً چگونه با داده‌های ۱۹۶۴ تا ۲۰۱۹ مقایسه شد؟

این بخش مهم است، زیرا نتیجه پژوهش فقط از مشاهده هم‌زمان تغییرات هسته و طول روز به دست نیامده است. پژوهشگران ابتدا سیگنال LOD را برای تمرکز بر تغییرات چنددهه‌ای آماده کردند.

داده‌های مورد استفاده مربوط به ۱۹۶۴ تا ۲۰۱۹ بود. در این بازسازی، اثر‌های فصلی مربوط به جو و اقیانوس‌ها و روند‌های بلندمدت مربوط به اصطکاک کشندی ماه، Glacial Isostatic Adjustment و فرایند‌های مربوط به جابه‌جایی جرم آب در سطح زمین از سیگنال حذف شدند.

سپس پژوهشگران برای جدا کردن تغییرات چنددهه‌ای، یک فیلتر Butterworth مرتبه سوم با دوره قطع ۳۰ سال اعمال کردند؛ بنابراین تمرکز اصلی مدل روی تغییراتی حدوداً ۶۰ تا ۷۰ ساله قرار گرفت، نه نوسانات کوتاه‌تر ۱۰ تا ۳۰ ساله.

برای مدل‌سازی، گشتاور گرانشی ناشی از حرکت نسبی هسته داخلی و گشتاور‌های مرزی هسته و گوشته در بازه ۱۹۶۴ تا ۲۰۱۹ به‌صورت عددی در زمان انتگرال‌گیری شدند. سپس خروجی مدل با LOD مشاهده‌شده مقایسه شد.

مقایسه با فاصله‌های یک‌ساله انجام شد و در مجموع ۵۶ نقطه زمانی در بازه مورد مطالعه قرار گرفت. پژوهشگران با یک چارچوب بیزی و نمونه‌گیری MCMC پارامتر‌هایی را پیدا کردند که کمترین اختلاف میان LOD پیش‌بینی‌شده و مشاهده‌شده را ایجاد می‌کردند. در ارزیابی نمونه‌های با احتمال بالا، آستانه برازش کمتر از ۰٫۲ میلی‌ثانیه نیز مورد استفاده قرار گرفت.

یکی از مجموعه پارامتر‌های کلیدی مدل شامل دامنه گشتاور گرانشی ۱٫۳ × ۱۰۱۹ نیوتن‌متر و مقیاس زمانی ۶ سال بود. این مدل توانست دامنه و فاز تغییرات چنددهه‌ای LOD را با داده‌های مشاهده‌شده تطبیق دهد.

نکته مهم این است که پژوهشگران ادعا نمی‌کنند همه تغییرات سرعت چرخش زمین را فقط یک سازوکار توضیح می‌دهد. نتیجه مشخص مطالعه درباره تغییرات چنددهه‌ای در بازه ۱۹۶۴ تا ۲۰۱۹ است.

ماه، جو، اقیانوس‌ها و زلزله‌ها چه نقشی دارند؟

یکی از ساده‌ترین اشتباه‌ها در توضیح این پژوهش آن است که نتیجه آن را به همه تغییرات طول روز تعمیم دهیم. زمین در مقیاس‌های زمانی مختلف تحت تأثیر سازوکار‌های متفاوتی قرار دارد.

Moon و Tidal Friction؛ چرا طول روز در بلندمدت تغییر می‌کند؟

ماه از طریق برهم‌کنش کشندی با زمین، در مقیاس‌های بسیار طولانی روی سرعت چرخش زمین اثر می‌گذارد. Tidal Friction به‌طور کلی باعث کاهش تدریجی سرعت چرخش زمین و افزایش طول روز در بازه‌های زمانی بسیار طولانی می‌شود.

اما پژوهش جدید این روند بلندمدت را از داده‌های مورد استفاده برای بررسی تغییرات چنددهه‌ای جدا کرده است؛ بنابراین نباید نقش کشندی ماه را با نتیجه اصلی مطالعه درباره نوسانات چنددهه‌ای یکی دانست.

Atmosphere؛ جو هم می‌تواند زمین را «هل بدهد»

باد‌ها و جابه‌جایی جرم در جو با سطح جامد زمین تبادل تکانه زاویه‌ای دارند. همین فرایند می‌تواند باعث تغییرات فصلی و سالانه در سرعت چرخش زمین شود.

به همین دلیل، اثر‌های جوی در بازسازی LOD مطالعه جدید حذف شدند تا سیگنال مورد نظر برای بررسی تغییرات هسته‌ای باقی بماند.

Oceans؛ اقیانوس‌ها هم بخشی از معادله‌اند

جریان‌های اقیانوسی و جابه‌جایی جرم آب نیز می‌توانند تکانه زاویه‌ای را میان اقیانوس‌ها و زمین جامد جابه‌جا کنند. این اثر‌ها در بازه‌های کوتاه‌تر و فصلی اهمیت دارند و در آماده‌سازی داده‌های مطالعه جدید نیز از سیگنال مورد بررسی حذف شدند.

Earthquakes؛ زلزله‌ها چه می‌کنند؟

زلزله‌ها با جابه‌جا کردن جرم درون زمین می‌توانند توزیع جرم و در نتیجه ویژگی‌های چرخشی زمین را تغییر دهند. اثر چنین رویداد‌هایی با سازوکار‌های تدریجی و چنددهه‌ای مورد مطالعه Zhang و Dumberry یکسان نیست؛ بنابراین اگر یک زلزله بتواند تغییر بسیار کوچکی در چرخش زمین ایجاد کند، این موضوع به معنای آن نیست که زلزله‌ها عامل اصلی نوسان چنددهه‌ای LOD مورد بررسی این مقاله هستند.

پس دقیقاً چه چیزی در اعماق زمین کشف شده است؟

یکی از نتایج جالب مدل فقط درباره طول روز نیست. برازش مدل با داده‌ها با تصویری از اعماق زمین سازگار است که در آن هسته داخلی نسبتاً کم‌ویسکوز است و می‌تواند در بازه‌ای چندساله تغییر شکل دهد.

پژوهش همچنین از وجود ساختار‌هایی در بخش پایینی گوشته و ویژگی‌هایی در نزدیکی مرز هسته و گوشته پشتیبانی می‌کند؛ از جمله توده‌های ترموشیمیایی تقریباً خنثی از نظر شناوری، فاز post-perovskite با ویسکوزیته پایین و یک لایه بسیار رسانای غنی از آهن در نزدیکی پایه گوشته. این نتایج به محدود کردن ویژگی‌های فیزیکی بخش‌های بسیار عمیق زمین کمک می‌کنند.

با این حال، این مدل به بازسازی چرخش هسته داخلی و مدل جریان هسته وابسته است؛ بنابراین دقت نتیجه نیز به دقت همین داده‌ها و مدل‌ها وابسته می‌ماند. همچنین مدل همه عوامل مؤثر بر طول روز، از جمله جریان‌های جو و اقیانوس، را مستقیماً در مدل نهایی توضیح نمی‌دهد.

UT۱ چیست و چه فرقی با UTC دارد؟

اینجاست که فیزیک اعماق زمین مستقیماً به ساعت‌های روی زمین وصل می‌شود.

UT۱ مقیاسی است که با چرخش واقعی زمین مرتبط است. مقدار UT۱ از مشاهده چرخش زمین به دست می‌آید و بنابراین وقتی سرعت چرخش زمین تغییر می‌کند، UT۱ نیز نسبت به یک ساعت اتمی ثابت با همان نرخ پیش نمی‌رود. IERS داده‌های مربوط به UT۱ و اختلاف UT۱-UTC را به‌طور منظم منتشر می‌کند.

UTC یا Coordinated Universal Time مقیاس زمانی استاندارد مورد استفاده در جهان است که بر پایه زمان اتمی ساخته شده، اما برای نزدیک ماندن به چرخش زمین با UT۱ هماهنگ می‌شود. در ساختار فعلی، اختلاف مطلق UT۱ و UTC باید کمتر از ۰٫۹ ثانیه باقی بماند.

Leap Second چیست؟

چون ساعت‌های اتمی بسیار منظم‌تر از چرخش زمین هستند، اگر چرخش زمین کمی کند یا تند شود، UTC به‌تدریج از UT۱ فاصله می‌گیرد.

برای کنترل این فاصله، Leap Second یا «ثانیه کبیسه» در UTC وارد می‌شود. IERS مسئول تصمیم‌گیری و اعلام این اصلاح است و آن را از طریق Bulletin C اعلام می‌کند؛ بنابراین یک رابطه مهم را می‌توان این‌طور خلاصه کرد:

LOD: تغییر طول واقعی روز نسبت به ۸۶٬۴۰۰ ثانیه.

UT۱: زمان مرتبط با چرخش واقعی زمین.

UTC: مقیاس زمانی هماهنگ‌شده بر پایه زمان اتمی.

Leap Second: اصلاح گاه‌به‌گاه UTC برای محدود نگه داشتن اختلاف آن با UT۱.

چرا GPS، ماهواره و مخابرات به چرخش زمین اهمیت می‌دهند؟

در یک ساعت معمولی، اختلاف چند میلی‌ثانیه‌ای در طول روز اهمیتی ندارد. اما در سامانه‌های ناوبری، ماهواره‌ای و مخابراتی، زمان فقط چیزی نیست که ساعت نشان می‌دهد؛ زمان بخشی از اطلاعات مکانی و فیزیکی سامانه است.

هرچه زمان دقیق‌تر باشد، اندازه‌گیری فاصله، موقعیت، حرکت و هماهنگی میان تجهیزات دقیق‌تر انجام می‌شود. به همین دلیل، پایش مستمر چرخش زمین و انتشار پارامتر‌های Earth Orientation برای سامانه‌هایی که به زمان و موقعیت دقیق وابسته‌اند اهمیت دارد.

تغییرپذیری سرعت چرخش زمین ناشی از جزرومد، تغییرات جوی، اقیانوس‌ها و دیگر فرایند‌های ژئوفیزیکی باعث می‌شود چرخش زمین به‌طور منظم پایش شود. داده‌های چرخش زمین همچنین برای سامانه‌های مدرن ناوبری و ارتباطات اهمیت دارند.

سؤالات متداول

آیا طول روز زمین همیشه دقیقاً ۲۴ ساعت است؟

خیر. ۲۴ ساعت یک مقدار مرجع و قراردادی است. طول واقعی روز با تغییر سرعت چرخش زمین در مقیاس‌های زمانی مختلف، اندکی تغییر می‌کند.

چند میلی‌ثانیه تغییر در طول روز یعنی چه؟

یعنی مدت یک چرخش زمین نسبت به مقدار مرجع ۸۶٬۴۰۰ ثانیه، چند هزارم ثانیه کوتاه‌تر یا بلندتر شده است.

مطالعه Nature در سال ۲۰۲۶ چه چیزی را نشان داد؟

مدل Zhang و Dumberry نشان داد که در بازه ۱۹۶۴ تا ۲۰۱۹، گشتاور گرانشی مرتبط با Inner Core می‌تواند عامل اصلی تغییرات چنددهه‌ای LOD باشد، در حالی که گشتاور‌های الکترومغناطیسی و توپوگرافی بیشتر در برابر آن عمل می‌کنند.

آیا ماه عامل تغییر طول روز است؟

بله، اصطکاک کشندی ناشی از ماه در تغییر بلندمدت سرعت چرخش زمین نقش دارد. اما این اثر با نوسانات چنددهه‌ای مورد تمرکز مطالعه جدید یکسان نیست و در بازسازی آن از سیگنال مورد بررسی حذف شده است.

UT۱ و UTC چه تفاوتی دارند؟

UT۱ به چرخش واقعی زمین وابسته است، در حالی که UTC بر پایه زمان اتمی تعریف می‌شود و با استفاده از Leap Second در محدوده مشخصی نسبت به UT۱ نگه داشته می‌شود.

جمع‌بندی؛ یک روز ۲۴ ساعته، اما نه یک چرخش کاملاً ثابت

طول روز زمین در ظاهر یک عدد ساده است: ۲۴ ساعت. اما پشت همین عدد، مجموعه‌ای از فرایند‌های پیچیده از حرکت ماه و جریان‌های جو و اقیانوس‌ها گرفته تا حرکت هسته فلزی زمین قرار دارد.

مطالعه منتشرشده در Nature در ۲۳ سپتامبر ۲۰۲۶ نشان می‌دهد برای تغییرات چنددهه‌ای مورد بررسی در بازه ۱۹۶۴ تا ۲۰۱۹، گشتاور گرانشی میان هسته داخلی و گوشته می‌تواند نقش اصلی را داشته باشد. این نتیجه نه به معنای حذف نقش ماه، جو، اقیانوس‌ها یا دیگر فرایندها، بلکه به معنای تفکیک یک سازوکار خاص برای یک بازه زمانی مشخص است.

پس دفعه بعد که ساعتتان دقیقاً ۲۴:۰۰:۰۰ را نشان می‌دهد، به یاد داشته باشید که این عدد برای زندگی روزمره کاملاً کاربردی است؛ اما خود زمین در اعماقش حتی برای یک میلی‌ثانیه هم کاملاً بی‌حرکت و یکنواخت نمی‌چرخد. 

منبع:فوت و فن