Внутреннее ядро Земли удлиняет и укорачивает сутки на миллисекунды

Сутки на Земле — это не неизменные 86 400 секунд. На протяжении десятилетий их продолжительность увеличивается и уменьшается на несколько тысячных долей секунды, и новое исследование связывает большую часть этих колебаний с гравитационным перетягиванием каната, происходящим более чем в 5 000 километров у нас под ногами.

Геофизики Хуэйфэн Чжан (Huifeng Zhang) и Матьё Дамбери (Mathieu Dumberry) из Университета Альберты сообщают в Nature, что твёрдое внутреннее ядро Земли — слегка несферический железный шар — притягивает плотные области мантии по мере изменения своей ориентации. Это притяжение ускоряет или замедляет каменистую мантию и земную кору, на которой мы живём, а вместе с ними меняет и продолжительность суток. Две другие силы на границе между ядром и мантией оказывают противодействие.

Результат отвечает на вопрос, вокруг которого геофизики ходили десятилетиями. Они знали, что на таких временных масштабах ядро обменивается вращательным моментом с мантией, но не понимали, какая именно физическая связь обеспечивает этот обмен. Он также преподносит сюрприз относительно центра планеты: по-видимому, внутреннее ядро очень медленно течёт, а не остаётся неподвижной жёсткой глыбой.

Почему колеблющийся железный шар способен сдвинуть ход часов

Общее вращение Земли, её угловой момент, остаётся почти постоянным. Когда жидкое внешнее ядро ускоряется, мантия должна замедлиться, чтобы компенсировать это, и наоборот. Именно эти крошечные колебания скорости вращения мантии заставляют продолжительность суток изменяться в многодесятилетних циклах.

Открытым оставался вопрос о механизме связи, и существовало три кандидата. Электромагнитная связь действует через магнитное поле и зависит от того, насколько хорошо проводит электричество нижний слой мантии. Топографическая связь возникает из-за давления на неровности границы между ядром и мантией. Гравитационная связь определяется массой: внутреннее ядро не является идеальной сферой, а в мантии присутствуют неоднородные скопления плотной породы.

Когда потоки в жидком внешнем ядре слегка смещают внутреннее ядро и заставляют его немного повернуться относительно мантии, его выпуклости перестают совпадать с этими плотными областями. Гравитация тянет их обратно к выравниванию, и эта возвращающая сила — гравитационный крутящий момент — передаёт вращение мантии. Согласно исследованию, внутреннее ядро колеблется относительно мантии примерно на 2,35 градуса в цикле продолжительностью от 60 до 70 лет.

«Гравитационный крутящий момент действует в направлении, необходимом для объяснения наблюдаемых изменений вращения Земли, тогда как электромагнитный и топографический крутящие моменты в целом ему противодействуют», — написали два исследователя в изложении работы для исследовательского сообщества Springer Nature.

Как проводилось исследование

Ни один прибор не может добраться до ядра, поэтому команда объединила три косвенных ряда данных. Первый — сама продолжительность суток, отслеживаемая с помощью атомных часов и астрономических наблюдений. Второй — набор моделей течения жидкого внешнего ядра, восстановленных по спутниковым измерениям магнитного поля Земли. Третий — сейсмические свидетельства о строении глубинных слоёв Земли.

Эти данные исследователи обработали статистическим методом под названием Markov chain Monte Carlo, который перебирает огромное количество возможных значений неизвестных величин и сохраняет сочетания, соответствующие наблюдениям. К неизвестным относилась сила каждой из трёх связей. Модель лучше всего воспроизвела данные о продолжительности суток примерно за шесть десятилетий, когда основную роль играл гравитационный крутящий момент, а два других действовали как тормоза.

Проверять все три механизма одновременно важно, поскольку они работают в одно и то же время и частично компенсируют друг друга. Модель, рассматривающая лишь одну связь, может приписать ей эффект, который на реальной Земле компенсируется другой.

«Эти различные фрагменты информации могут быть объединены, чтобы дать более цельную картину глубоких недр Земли — области, которую чрезвычайно трудно наблюдать напрямую», — отмечает Чжан.

Несколько миллисекунд — по сравнению с чем

По сравнению с самими сутками этот эффект крошечный. Несколько миллисекунд из 86 400 секунд — это изменение на несколько стомиллионных долей, намного короче моргания. Никто этого не ощущает, однако атомные часы и системы, отслеживающие ориентацию Земли для спутниковой навигации, это фиксируют.

На продолжительность суток влияют и другие силы. Ветры и океанские течения меняют её в течение дней и сезонов, тогда как лунные приливы медленно тормозят вращение Земли на протяжении миллионов лет. Десятилетние колебания занимали промежуточное положение: ядро давно считалось их вероятным источником, но сам механизм оставался неясным.

Исследование также позволяет оценить, насколько мягок центр планеты. Наилучшим образом соответствующие данным модели предполагают, что внутреннее ядро расслабляет свою форму примерно за десятилетие, при возможном диапазоне от 2 до 31 года. Под чудовищным давлением оно всё ещё состоит из твёрдого железа, однако за годы поддаётся, словно чрезвычайно жёсткая замазка. Исследователи сообщают, что эта вязкость согласуется с недавними лабораторными опытами с железными сплавами.

Сила гравитационного притяжения говорит кое-что и о мантии. Она поддерживает представление о том, что две скопления пород размером с континент под Африкой и Тихим океаном, где сейсмические волны распространяются необычно медленно, являются горячими и к тому же химически более плотными, чем окружающая их порода.

Чего это не объясняет

Реконструкция зависит от неполных данных. Сейсмическое покрытие глубоких слоёв Земли неравномерно, а модели течений в ядре, выведенные из магнитных данных, позволяют увидеть лишь крупнейшие структуры внешнего ядра. Предполагаемая форма внутреннего ядра и плотность мантийных скоплений получены в результате подгонки модели, а не прямых измерений, а диапазон от 2 до 31 года для мягкости внутреннего ядра весьма широк.

Модель также оставляет часть сигнала необъяснённой. Более быстрые вариации с периодами от 10 до 30 лет, вероятно, включают дополнительные процессы, а отдельное шестилетнее колебание продолжительности суток остаётся открытой проблемой, которую Чжан сейчас изучает.

Остаётся и вопрос о самом вращении внутреннего ядра — одна из самых спорных тем в сейсмологии. Исследования группы из Пекинского университета в 2023 году и группы из Университета Южной Калифорнии в 2024 году пришли к выводу, что движение внутреннего ядра относительно мантии остановилось и начало менять направление примерно в 2009–2010 годах. Новая модель, предполагающая смену направления около 2010 года, соответствует этой картине, однако другие сейсмологи утверждают, что те же сейсмические сигналы объясняются изменениями на поверхности внутреннего ядра, а не его вращением. Авторы также относят к нерешённым вопросам то, возможно ли вообще предсказывать будущие изменения вращения внутреннего ядра.

Распространённые вопросы о продолжительности земных суток

Почему сутки не длятся ровно 24 часа?

24-часовые сутки — это условность, а фактическая скорость вращения Земли меняется. Ветры и океанские течения изменяют её в течение дней и сезонов, лунные приливы удлиняют сутки на протяжении миллионов лет, а обмен вращательным моментом между ядром и мантией меняет их на несколько миллисекунд за десятилетия.

Внутреннее ядро Земли меняет направление вращения?

Нет. Сейсмические исследования показывают, что внутреннее ядро вращается немного быстрее или медленнее мантии, поэтому относительно поверхности оно смещается в одну сторону, а затем обратно. Новое исследование моделирует это как колебание примерно на 2,35 градуса в цикле от 60 до 70 лет, со сменой направления около 2010 года.

Сделает ли внутреннее ядро сутки заметно длиннее или короче?

Нет. За десятилетия изменения составляют лишь несколько миллисекунд — это значительно меньше того, что способен заметить человек. Они важны для точного отсчёта времени, спутниковой навигации и геофизики, где вращение Земли отслеживается с точностью до долей миллисекунды.

Как учёные узнают, что происходит внутри ядра Земли?

Ни один зонд не может туда добраться. Исследователи объединяют данные о сейсмических волнах от землетрясений, проходящих через ядро, спутниковые измерения магнитного поля, создаваемого в жидком внешнем ядре, и точные записи вращения Земли. В этом исследовании использовались все три источника.

Nature опубликовал исследование 23 сентября 2026 года. Как установила команда, в период с начала 1970-х годов по 2021 год процессы в ядре меняли продолжительность суток на несколько миллисекунд. Следующей проверкой станет шестилетний цикл: отдельная группа сообщила в препринте за июнь 2026 года, ещё не прошедшем рецензирование, о совпадающем шестилетнем сигнале в спутниковых данных о гравитации, который она связывает с той же связью между внутренним ядром и мантией. Если оба набора данных покажут одинаковое колебание, притяжение металлического шара в центре планеты можно будет считывать не только по часам, но и с орбиты.

Источник: Zhang and Dumberry, «Gravitational torque drives multidecadal variations in length of day,» Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10999-2

Теги: earth science, geophysics, Mathieu Dumberry, University of Alberta, внутреннее ядро, вращение Земли