Ziemia z bliska: od „geoidy" do równikowego wybrzuszenia

Ziemia jest „ogólnie" okrągła, ale zdecydowanie nie jest idealną sferą. Rotacja planety oraz nierównomierne rozmieszczenie masy powodują jej subtelne zniekształcenie — na równiku pojawia się wyraźne wybrzuszenie, a bieguny są lekko spłaszczone. W geofizyce taki kształt określa się mianem sferoidy spłaszczonej.

W skali ludzkiej różnica wydaje się drobna, ale ma realne konsekwencje. Wpływa na wartość grawitacji mierzonej przy powierzchni, na dokładność map i pomiarów geodezyjnych (GNSS/GPS), a nawet na długość doby — dziś coraz bardziej kształtowaną przez redystrybucję masy związaną z topnieniem lodowców.

Pomysł o kulistej Ziemi sięga starożytności. Około 350 r. p.n.e. Arystoteles zwrócił uwagę, że cień naszej planety podczas zaćmień Księżyca zawsze ma kształt koła — mocny argument za „okrągłością".

Jednak „okrągły" to nie to samo co „doskonale sferyczny". W geodezji punktem odniesienia nie jest widoczny relief terenu, lecz pole grawitacyjne. Stąd pojęcie geoidy — teoretycznej powierzchni reprezentującej uproszczony „średni poziom morza" rozciągnięty na cały glob, nawet nad kontynentami, zależny wyłącznie od grawitacji.

Ma to praktyczne znaczenie z kilku powodów:

odbiornik GNSS podaje wysokość elipsoidalną (względem matematycznego elipsoidy); aby uzyskać „normalną" wysokość w stylu poziomu morza, potrzebny jest model geoidy
wewnętrzne zróżnicowanie gęstości — płaszcz, skorupa, wielkie baseny — odkształca geoidę względem sfery lub elipsoidy, choć gołym okiem tego nie widać; jak podkreśla geofizyczka Attreyee Ghosh, różnice te odzwierciedlają przede wszystkim rozkład masy we wnętrzu Ziemi

Rotacja i grawitacja: dlaczego Ziemia „grubieje" na równiku

Na równiku powierzchnia Ziemi porusza się z prędkością około 1 600 km/h ze względu na rotację. Ta rotacja wytwarza składową odśrodkową, która nieznacznie „odciąża" grawitację i sprzyja rozszerzaniu się planety w strefie równikowej. Efektem jest sferoida spłaszczona, w której różnica między promieniem równikowym a biegunowym wynosi około 21 km.

Pewna zasada skalowania wyjaśnia, dlaczego prawie tego nie zauważamy: owe ~21 km w porównaniu ze średnim promieniem ~6 371 km to naprawdę niewielki ułamek. W skali piłki byłoby to odchylenie niemal niezauważalne — Jon Kirby przyrównuje je do grubości włosa leżącego na powierzchni.

Bez rotacji Ziemia byłaby znacznie bliższa idealnej sferze. Dzięki rotacji planeta globalnie zachowuje się jak ciało dążące do równowagi: grawitacja przyciąga ku środkowi, a siła odśrodkowa „odpycha" na zewnątrz.

Grawitacja nie jest wszędzie taka sama — i wpływa na twoją wagę

Grawitacja nie jest identyczna w każdym miejscu na Ziemi. Wynikają z tego dwie główne przyczyny:

1) odległość od centrum (równikowe wybrzuszenie sprawia, że równik jest średnio dalej od środka Ziemi)
2) rotacja (składowa odśrodkowa jest maksymalna na równiku i zerowa na biegunach)

Dlatego „waga" zmienia się wraz z szerokością geograficzną. Warto tu jednak zaznaczyć ważny niuans: twoja masa (w kg) pozostaje stała; zmienia się natomiast siła ciężkości — to, co pokazuje waga.

W praktyce osoba ważąca „75 kg" na wadze w umiarkowanych szerokościach geograficznych (np. w Polsce lub Francji) może uzyskać wynik o około 0,5% niższy w pobliżu równika (np. w Kolumbii). Oprócz szerokości geograficznej znaczenie ma też wysokość nad poziomem morza: im wyżej, tym mniejsza grawitacja — różnica jest niewielka, ale realna.

Chimborazo „bliżej kosmosu" niż Everest

W tym miejscu pojawia się użyteczne rozróżnienie: słowo „najwyższy" może oznaczać różne rzeczy.

Everest: największa wysokość ponad średnim poziomem morza
Chimborazo (Ekwador): największa odległość od środka Ziemi, ponieważ leży blisko równika, dokładnie na jego wybrzuszeniu

Choć Everest wygrywa w klasycznym sensie „wysokości", to szczyt Chimborazo jest około 2 100 m dalej od centrum Ziemi — innymi słowy, „bliżej kosmosu" według tego kryterium.

Topnienie lodowców, satelity GRACE i nieco dłuższe doby

Kształt planety nie jest niezmienny. Gdy lód lądowy topnieje, masa wcześniej skoncentrowana na wysokich szerokościach geograficznych przechodzi w postać wody i rozmieszcza się w oceanach, często przemieszczając się w kierunku niższych szerokości geograficznych.

Misje GRACE i GRACE-FO mierzą zmiany pola grawitacyjnego (zazwyczaj z miesięczną rozdzielczością czasową), umożliwiając śledzenie przesunięć masy w wielkich skalach — lodu, wód gruntowych, zasobów wodnych kontynentów i oceanów.

Jeśli chodzi o rotację, przemieszczanie masy dalej od osi obrotu (bliżej równika) prowadzi do lekkiego spowolnienia rotacji — efekt przypomina łyżwiarza rozkładającego ramiona na lodowisku. Najnowsze badania wskazują, że zmiany długości doby wynoszą od ułamków do kilku milisekund w ciągu dziesięcioleci, zależnie od scenariusza i innych czynników, takich jak dynamika jądra i atmosfery. Przy nieco wolniejszej rotacji Ziemia bardzo subtelnie zbliża się ku bardziej „okrągłemu" kształtowi.

Dlaczego to ma znaczenie: Ziemia podlega tym samym prawom fizyki co inne planety

„Idealna sfera" sprawdza się jako przybliżenie w wielu zastosowaniach, ale zawodzi tam, gdzie wymagana jest precyzja. W kartografii, inżynierii, nawigacji satelitarnej, altimetrii i nauce o klimacie te różnice stanowią integralną część zarówno problemu, jak i jego rozwiązania.

W istocie Ziemia zachowuje się jak każde inne ciało niebieskie — to nieustanna równowaga między grawitacją, rotacją a redystrybucją masy. Nawet niewielkie zmiany pozostawiają mierzalny ślad w kształcie planety i w sposobie, w jaki ją badamy.