Wewnętrzne jądro Ziemi wydłuża i skraca nasze doby o milisekundy

Doba na Ziemi nie wynosi sztywno 86 400 sekund. W skali dekad rozciąga się i kurczy o kilka tysięcznych sekundy, a nowe badanie przypisuje większość tych wahań grawitacyjnemu przeciąganiu liny, które rozgrywa się ponad 5 000 kilometrów pod naszymi stopami.

Geofizycy Huifeng Zhang i Mathieu Dumberry z University of Alberta informują na łamach „Nature”, że stałe wewnętrzne jądro Ziemi – kula żelaza o nieco niesferycznym kształcie – przyciąga gęste obszary płaszcza, gdy zmienia swoją orientację. To przyciąganie przyspiesza lub spowalnia skalisty płaszcz i skorupę, na której żyjemy, a wraz z nimi długość doby. Dwie inne siły na granicy między jądrem a płaszczem działają w przeciwnym kierunku.

Wynik odpowiada na pytanie, które geofizycy stawiali sobie od dekad. Wiedzieli, że jądro i płaszcz wymieniają się momentem pędu w tej skali czasowej, ale nie wiedzieli, które fizyczne połączenie pośredniczy w tej wymianie. Badanie przynosi też niespodziankę dotyczącą centrum planety: wewnętrzne jądro najwyraźniej płynie, bardzo powoli, zamiast tkwić w miejscu jako sztywna bryła.

Dlaczego kołysząca się żelazna kula może przesuwać wskazówki zegara

Całkowity spin Ziemi, jej moment pędu, pozostaje prawie stały. Gdy ciekłe zewnętrzne jądro przyspiesza, płaszcz musi zwolnić, by to skompensować, i odwrotnie. Te drobne wahania w rotacji płaszcza powodują, że długość doby zmienia się w cyklach wielodekadowych.

Otwartym pytaniem było sprzężenie, a kandydatów było trzech. Sprzężenie elektromagnetyczne działa poprzez pole magnetyczne i zależy od tego, jak dobrze najniższa warstwa płaszcza przewodzi prąd. Sprzężenie topograficzne wynika z ciśnienia wywieranego na nierówności na granicy jądra i płaszcza. Sprzężenie grawitacyjne pochodzi od masy: wewnętrzne jądro nie jest idealną kulą, a płaszcz zawiera nierównomiernie rozmieszczone bryły gęstej skały.

Gdy przepływy w ciekłym zewnętrznym jądrze popychają wewnętrzne jądro tak, że obraca się ono nieznacznie względem płaszcza, jego wybrzuszenia rozchodzą się z tymi gęstymi obszarami. Grawitacja ciągnie je z powrotem w kierunku zgodności, a to przywracające ciągnięcie – moment grawitacyjny – przekazuje spin płaszczowi. Według badania wewnętrzne jądro kołysze się w przód i w tył o około 2,35 stopnia względem płaszcza, w cyklu trwającym od 60 do 70 lat.

„Moment grawitacyjny działa w kierunku wymaganym do wyjaśnienia obserwowanych zmian w rotacji Ziemi, podczas gdy momenty elektromagnetyczny i topograficzny generalnie mu się przeciwstawiają” – napisali obaj badacze w podsumowaniu pracy dla społeczności naukowej Springer Nature.

Jak to zrobili

Żaden przyrząd nie jest w stanie dotrzeć do jądra, więc zespół połączył trzy pośrednie źródła danych. Pierwszym jest sama długość doby, śledzona za pomocą zegarów atomowych i obserwacji astronomicznych. Drugim jest zestaw modeli przepływu ciekłego zewnętrznego jądra, zrekonstruowanych z satelitarnych pomiarów pola magnetycznego Ziemi. Trzecim są dowody sejsmiczne dotyczące struktury głębokiego wnętrza Ziemi.

Wprowadzili je do techniki statystycznej zwanej łańcuchem Markowa Monte Carlo, która testuje ogromną liczbę możliwych wartości nieznanych wielkości i zachowuje kombinacje pasujące do obserwacji. Niewiadome obejmowały siłę każdego z trzech sprzężeń. Model najlepiej odtwarzał około sześciu dekad danych o długości doby, gdy główną rolę odgrywał moment grawitacyjny, a pozostałe dwa działały jak hamulce.

Testowanie wszystkich trzech mechanizmów razem ma znaczenie, ponieważ działają one jednocześnie i częściowo się znoszą. Model uwzględniający tylko jedno sprzężenie może przypisać mu efekt, który w rzeczywistej Ziemi jest równoważony przez inne.

„Te różne elementy informacji mogą się połączyć, by dać spójniejszy obraz głębokiego wnętrza Ziemi – regionu, który niezwykle trudno obserwować bezpośrednio” – mówi Zhang.

Kilka milisekund, ale w porównaniu z czym

Efekt jest niewielki w zestawieniu z samą dobą. Kilka milisekund z 86 400 sekund to zmiana rzędu kilku części na 100 milionów, znacznie krótsza niż mrugnięcie okiem. Nikt jej nie odczuwa, ale odczuwają ją zegary atomowe i systemy śledzące orientację Ziemi dla nawigacji satelitarnej.

Inne siły również zmieniają długość doby. Wiatry i prądy oceaniczne zmieniają ją w skali dni i pór roku, podczas gdy pływy Księżyca spowalniają spin Ziemi w skali milionów lat. Wahania w skali dekad znajdowały się pomiędzy nimi, a jądro od dawna podejrzewano o ich źródło, choć mechanizm pozostawał nierozpoznany.

Badanie podaje również liczbę określającą, jak miękkie jest centrum planety. Najlepiej dopasowane modele sugerują, że wewnętrzne jądro rozluźnia swój kształt w ciągu około dekady, w możliwym zakresie od 2 do 31 lat. Pod miażdżącym ciśnieniem jest wciąż stałym żelazem, ale na przestrzeni lat ustępuje jak niezwykle sztywna kit. Naukowcy podają, że ta lepkość jest zgodna z najnowszymi eksperymentami laboratoryjnymi na stopach żelaza.

Siła przyciągania grawitacyjnego mówi też coś o płaszczu. Wspiera pogląd, że dwie bryły skał wielkości kontynentów pod Afryką i Pacyfikiem, przez które fale sejsmiczne przemieszczają się wyjątkowo wolno, są gorące, a także chemicznie gęstsze niż otaczające je skały.

Czego to nie rozstrzyga

Rekonstrukcja opiera się na niekompletnych danych. Zasięg sejsmiczny głębokiej Ziemi jest fragmentaryczny, a modele przepływu w jądrze wyprowadzone z danych magnetycznych widzą tylko największe struktury w zewnętrznym jądrze. Wywnioskowany kształt wewnętrznego jądra i gęstość brył płaszcza wynikają z dopasowania, a nie z bezpośredniego pomiaru, a zakres 2–31 lat dla miękkości wewnętrznego jądra jest szeroki.

Model pozostawia też niewyjaśnioną część sygnału. Szybsze zmiany w skali 10–30 lat prawdopodobnie obejmują dodatkowe procesy, a osobna sześcioletnia oscylacja długości doby pozostaje otwartym problemem, który Zhang obecnie bada.

Jest też kwestia samej rotacji wewnętrznego jądra – jednego z najbardziej spornych tematów w sejsmologii. Badania zespołu z Peking University z 2023 roku oraz zespołu z University of Southern California z 2024 roku wykazały, że ruch wewnętrznego jądra względem płaszcza zatrzymał się i zaczął odwracać około 2009–2010 roku. Nowy model, ze zmianą kierunku około 2010 roku, pasuje do tego obrazu, ale inni sejsmolodzy twierdzą, że zmiany na powierzchni wewnętrznego jądra, a nie jego rotacja, wyjaśniają te same sygnały sejsmiczne. Autorzy wymieniają również jako nierozstrzygnięte, czy przyszłe zmiany w rotacji wewnętrznego jądra można w ogóle przewidzieć.

Najczęstsze pytania o długość doby na Ziemi

Dlaczego doba nie trwa dokładnie 24 godzin?

24-godzinna doba jest konwencją, a rzeczywista rotacja Ziemi jest zmienna. Wiatry i prądy oceaniczne zmieniają ją w skali dni i pór roku, pływy Księżyca wydłużają ją w skali milionów lat, a wymiana spinu między jądrem a płaszczem zmienia ją o kilka milisekund w skali dekad.

Czy wewnętrzne jądro Ziemi odwraca swój spin?

Nie. Badania sejsmiczne sugerują, że wewnętrzne jądro obraca się nieco szybciej lub wolniej niż płaszcz, więc względem powierzchni dryfuje w jedną stronę, a potem z powrotem. Nowe badanie modeluje to jako wahnięcie o około 2,35 stopnia w cyklu 60–70 lat, ze zmianą kierunku około 2010 roku.

Czy wewnętrzne jądro sprawi, że doby staną się zauważalnie dłuższe lub krótsze?

Nie. Zmiany sumują się do kilku milisekund na przestrzeni dekad, znacznie poniżej progu odczuwalnego przez człowieka. Mają znaczenie dla precyzyjnego pomiaru czasu, nawigacji satelitarnej i geofizyki, gdzie rotacja Ziemi jest śledzona z dokładnością do ułamków milisekundy.

Skąd naukowcy wiedzą, co dzieje się wewnątrz jądra Ziemi?

Żadna sonda nie jest w stanie tam dotrzeć. Naukowcy łączą fale sejsmiczne z trzęsień ziemi przechodzące przez jądro, satelitarne pomiary pola magnetycznego generowanego w ciekłym zewnętrznym jądrze oraz precyzyjne zapisy rotacji Ziemi. To badanie wykorzystało wszystkie trzy.

„Nature” opublikowało badanie 23 września 2026 roku. Między wczesnymi latami 70. XX wieku a 2021 rokiem – jak ustalił zespół – procesy w jądrze zmieniły długość doby o kilka milisekund. Kolejnym testem jest cykl sześcioletni: osobna grupa badaczy w preprintzie z czerwca 2026 roku, jeszcze nie recenzowanym, zgłosiła pasujący sześcioletni sygnał w satelitarnych danych grawitacyjnych, który wiąże z tym samym sprzężeniem między wewnętrznym jądrem a płaszczem. Jeśli oba zapisy pokażą to samo wahnięcie, przyciąganie metalowej kuli w centrum planety będzie możliwe do odczytania zarówno z orbity, jak i z zegara.

Źródło: Zhang i Dumberry, „Gravitational torque drives multidecadal variations in length of day”, Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10999-2

Tagi: długość doby, earth science, geophysics, jądro wewnętrzne, Mathieu Dumberry, obrót Ziemi