Ziemia z bliska: od "geoidy" do równikowego wybrzuszenia
Ziemia jest „ogólnie okrągła", ale daleko jej do idealnej kuli. Rotacja planety oraz nierównomierne rozmieszczenie masy powodują jej lekkie odkształcenie — na równiku pojawia się charakterystyczne wybrzuszenie, a bieguny są nieco spłaszczone. W naukowej nomenklaturze taki kształt nazywamy elipsoidą obrotową spłaszczoną.
W codziennym życiu różnica wydaje się minimalna, ale ma realne znaczenie. Wpływa na zmierzoną przy powierzchni grawitację, oddziałuje na mapy i pomiary geodezyjne (GNSS/GPS), a nawet na długość doby — dziś coraz bardziej kształtowaną przez redystrybucję mas związaną z topnieniem lodowców.
Przekonanie o kulistości Ziemi sięga starożytności. Arystoteles około 350 roku p.n.e. zauważył, że cień Ziemi rzucany na Księżyc podczas zaćmień jest kolisty — to był mocny argument za jej „okrągłością".
Jednak „okrągła" nie oznacza „idealnie sferyczna". W geodezji punktem odniesienia nie jest widzialny relief (góry i rowy oceaniczne), lecz pole grawitacyjne. Stąd pochodzi pojęcie geoidy — teoretycznej powierzchni odpowiadającej uproszczonemu „średniemu poziomowi morza" rozciągniętemu na cały glob, nawet nad kontynentami, zależnej wyłącznie od grawitacji.
W praktyce ma to konkretne konsekwencje:
- odbiornik GNSS podaje wysokość elipsoidalną (względem matematycznej elipsoidy); by uzyskać „normalną" wysokość w stylu poziomu morza, konieczny jest model geoidy
- wewnętrzne zróżnicowanie gęstości Ziemi (płaszcz, skorupa, wielkie baseny) odkształca geoidę względem elipsoidy, choć gołym okiem tego nie widać — jak podkreśla geofizyczka Attreyee Ghosh, różnice te odzwierciedlają przede wszystkim rozkład masy we wnętrzu planety
Rotacja i grawitacja: dlaczego Ziemia „grubieje" na równiku
Na równiku powierzchnia Ziemi porusza się z prędkością około 1600 km/h w wyniku rotacji. Generuje to siłę odśrodkową, która nieznacznie „odciąża" grawitację i sprzyja rozszerzaniu się planety w strefie równikowej. Efektem jest elipsoida spłaszczona, gdzie różnica między promieniem równikowym a biegunowym wynosi około 21 km.
Pomocna jest pewna miara skali, która wyjaśnia, dlaczego prawie tego nie zauważamy: te ~21 km w porównaniu ze średnim promieniem ~6371 km to zaledwie ułamek. Na przykładzie piłki byłoby to odchylenie niemal niezauważalne — Jon Kirby porównuje je do włosa na powierzchni kuli.
Bez rotacji Ziemia byłaby o wiele bliższa idealnej sferze. Dzięki rotacji planeta zachowuje się jak ciało dążące do równowagi: grawitacja przyciąga ku środkowi, a siła odśrodkowa „odpycha" na zewnątrz.
Grawitacja różni się w zależności od miejsca — i zmienia wagę ciała
Grawitacja nie jest jednakowa w każdym miejscu na Ziemi. Odpowiadają za to dwa główne czynniki:
1) odległość od środka Ziemi (równikowe wybrzuszenie sprawia, że równik jest średnio dalej od centrum)
2) rotacja (składowa odśrodkowa jest największa na równiku i zerowa na biegunach)
Dlatego „waga" zmienia się wraz z szerokością geograficzną. Warto tu rozróżnić pewien niuans: twoja masa (w kg) pozostaje stała — zmienia się natomiast siła ciężkości, czyli to, co wskazuje waga.
W praktyce osoba ważąca „75 kg" na wadze w szerokościach umiarkowanych (np. we Francji lub Polsce) może uzyskać odczyt o około 0,5% niższy w pobliżu równika (np. w Kolumbii). Oprócz szerokości geograficznej, istotna jest też wysokość nad poziomem morza — im wyżej, tym grawitacja słabsza, choć różnica jest subtelna.
Chimborazo „bliżej kosmosu" niż Everest
W tym miejscu pojawia się przydatne 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, na szczycie wybrzuszenia
Choć Everest wygrywa w „klasycznej" wysokości, wierzchołek Chimborazo jest około 2100 m dalej od centrum Ziemi — czyli według tego kryterium „bliżej kosmosu".
Topnienie lodowców, satelity GRACE i coraz dłuższe doby
Kształt planety nie jest niezmienny. Gdy lód kontynentalny topnieje, masa dotychczas skupiona na wysokich szerokościach geograficznych zamienia się w ciekłą wodę i rozchodzi po oceanach, przesuwając się często ku niższym szerokościom.
Misje GRACE i GRACE-FO mierzą zmiany pola grawitacyjnego (zazwyczaj z miesięczną rozdzielczością), umożliwiając śledzenie przesunięć mas w wielkich skalach: lodu, wód gruntowych, zasobów wodnych na kontynentach i oceanów.
Pod względem rotacji przesunięcie masy dalej od osi (bliżej równika) ma tendencję do nieznacznego spowalniania obrotu Ziemi — to efekt podobny do łyżwiarza rozkładającego ramiona podczas pirouette. Najnowsze badania wskazują na zmiany długości doby rzędu ułamków do kilku milisekund na przestrzeni dziesięcioleci, zależnie od scenariusza i innych czynników (takich jak dynamika jądra i atmosfery). Przy nieco wolniejszej rotacji Ziemia bardzo subtelnie dąży do kształtu nieco bardziej „kulistego".
Dlaczego to ma znaczenie: Ziemia rządzi się tymi samymi prawami co inne światy
„Idealna sfera" to dobre przybliżenie w wielu zastosowaniach, ale zawodzi tam, gdzie wymagana jest precyzja. W kartografii, inżynierii, nawigacji satelitarnej, altimetrii i nauce o klimacie te różnice stanowią zarówno część problemu, jak i klucz do jego rozwiązania.
W istocie Ziemia zachowuje się jak inne ciała niebieskie — jest wypadkową równowagi pomiędzy grawitacją, rotacją i redystrybucją masy, która nigdy nie ustaje. Nawet drobne zmiany zostawiają mierzalny ślad w kształcie planety i w sposobie, w jaki ją badamy.
