נתונים חדשים מראים: כוח הכבידה שונה במקומות שונים בעולם

לפי הסיפור המפורסם, המתמטיקאי סר אייזק ניוטון ישב במטע לאחר ארוחת הערב, כשראה תפוח נופל מעץ. הוא תהה מדוע תפוחים תמיד נופלים ישר אל הקרקע, במקום הצידה או אפילו למעלה. מאוחר יותר הוא פיתח את חוק הכבידה.

אבל כוח הכבידה – אותו כוח בלתי נראה שמושך הכל למרכז כדור הארץ – אינו אחיד על פני הגלובוס, כך עולה מנתונים חדשים.

ניוטון מצא שכוח הכבידה תלוי בחלקו במסה; עצמים בעלי מסה רבה יותר חווים כוח משיכה חזק יותר. בכדור הארץ, זה אומר בדרך כלל שעוצמת המשיכה של כוח הכבידה על עצם עשויה להיות חזקה יותר או חלשה יותר במקומות שונים, בהתאם למבנה הפנימי של כדור הארץ ולטופוגרפיה באותו מקום. למקומות בעלי מסה רבה יותר, כמו הרים, יש כוחות כבידה חזקים יותר. למקומות עם פחות מסה מתחת לאדמה, כמו עמקים ותעלות עמוקות באוקיינוסים, יש כוחות כבידה חלשים יותר.

"מסה יוצרת כוח כבידה", אמר ג'ון ריס, מדען מחקר בכיר באוניברסיטת טקסס באוסטין. "אם אתה רואה שינוי בכבידה, אתה רואה שינוי במסה".

אפשר גם לחשוב על שינויי כוח הכבידה במונחים של תאוצה. בממוצע, התאוצה של עצם שנופל לכדור הארץ עקב כוח הכבידה היא בסביבות 9.8 מטר לשנייה בריבוע. אבל במקומות עם יותר או פחות כוח כבידה, התאוצה הזו עשויה להיות שונה במקצת.

ריס אמר שאנשים לא מסוגלים להבחין בווריאציות הקטנות האלה, אבל מכשירים מדעיים מתקדמים יכולים למדוד את החריגות הקטנות. הוא ועמיתיו עובדים עם משימת לוויין של נאס"א הידועה בשם Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), המספקת צילומי מצב גלובליים של שדה הכבידה של כדור הארץ. מדענים יכולים להשתמש במידע זה כדי לעקוב אחר שינויי מסה בקרח ובמאגרי מים בקוטב, ולעזור להבין כיצד התהליכים מתחת לפני כדור הארץ משפיעים על אלה שמעל פני הקרקע.

חריגות הכבידה הגדולות ביותר נובעות מתנועות של הלוחות הטקטוניים, כאשר לוחות גדולים מתנגשים או מתרחקים זה מזה. שינויים בתכולת המים על פני כדור הארץ, כמו בצורת או גשמים מתמשכים, יכולים גם כן להניע שינויים בכוח הכבידה, אם כי במידה קטנה יותר.

"הבעיה הגדולה היא לנסות להבין כיצד האוקיינוסים, האטמוספירה ואזורי היבשה מקיימים אינטראקציה", אמר ביירון טפלי, גיאופיזיקאי מאוניברסיטת טקסס באוסטין. "כולם מחוברים זה לזה בעצם במערכת של כדור הארץ ומנסים להבין את האינטראקציות האלה, איך מה שקורה לאחד משפיע על אחר".

כאן הכבידה משתנה הכי הרבה על פני כדור הארץ:

כוח הכבידה חזק יותר באוקיינוס השקט

לעתים קרובות אנו מציירים את כדור הארץ ככדור חלק, אך כוכב הלכת שלנו הוא למעשה גבשושי ובעל בליטות, צורה לא סדירה הנקראת "גיאואיד". באמצעות נתונים מבוססי לוויין, מדענים יכולים לחקור חריגות בכוח הכבידה על פני כדור הארץ על ידי השוואת ההבדל בין כוח הכבידה בפועל על כוכב הלכת שלנו לבין כדור ארץ היפותטי שהוא חלק ואחיד.

חלק מכוחות הכבידה החזקים ביותר על פני כדור הארץ נמצאים באוקיינוס השקט, ליד אוסטרליה ואינדונזיה, עקב תנועות של הלוחות הטקטוניים. למעשה, תנועת הלוחות הטקטוניים היא הכוח המניע של כמעט כל התכונות שאנו רואים על פני כדור הארץ, מהרים ועד עמקים וקניונים. תנועות הלוחות הללו מונעות על ידי מעטפת כדור הארץ, אשר מעבירה חום מעומק הכוכב אל פני השטח.

"החיכוך של הקרום, כאשר המעטפת עוברת דרכו, מניע את הלוחות אחד כלפי השני או מרחיק אותם אחד מהשני", אמר ריס, החוקר את צורת כדור הארץ, סיבובו וכוח הכבידה שלו באמצעות נתוני לוויין GRACE. מפות כבידה מאפשרות למדענים לפענח את התנועות הללו מתחת לקרום שלנו.

באזור זה, ריס הסביר כי האנומליה התרחשה עקב התנגשות של שני לוחות, כאשר קרום האוקיינוס נדחף מתחת ללוח היבשתי. קרום האוקיינוס, הוא הסביר, עתיק וצפוף יותר – וכתוצאה מכך שוקע מתחת ללוח היבשתי הקל יותר ויוצר תעלה. תעלות לאורך לוח האוקיינוס השקט מופיעות לאורך האיים האלאוטיים, יפן וטונגה, שם הנתונים מראים כוחות כבידה חלשים יותר.

כאשר קרום האוקיינוס שקוע, הוא אמר שהוא "מזיע" מים והלחץ עולה, מה שמוביל את המגמה למעלה וגורם לקרום להתרומם וליצור הרי געש. הגידול במסה הגדיל את כוח הכבידה לאורך השרשרת הוולקנית. שרשראות וולקניות אחרות, כמו סביב הוואי, מראות גם הן כוח משיכה חזק יותר.

התנהגות הלוחות הטקטוניים האלו דומה למה שאנו רואים גם בהרים. עבור הרים, שני לוחות יבשתיים יכולים להתנגש זה בזה ולגרום להתרוממות. לדוגמה, הרי ההימלאיה נוצרו כאשר שני לוחות יבשתיים צפופים באותה מידה התכנסו ונדחפו למעלה. נתונים מראים כוחות כבידה חזקים יותר על פני הרמה הטיבטית של ההימלאיה. ריס אמר שהלוחות עדיין פעילים, והר האוורסט עדיין גדל לאט לגובה.

שקע כבידה במשטח הקרח של צפון אמריקה

לא כל חריגות הכבידה קשורות ללוחות היבשת המתנגשים זה בזה. גם שינויים על פני השטח יכולים להשפיע על כוח הכבידה.

לפני כ-2.6 מיליון שנים, שכבת הקרח של לורנטייד כיסתה חלק גדול מקנדה וצפון ארצות הברית. משקלו של משטח הקרח האדיר דחף את האדמה מטה ויצר שקע. הנתונים מראים שכתוצאה מכך, כוח הכבידה מעט חלש יותר באזור.

מאז, שכבת הקרח נמסה לחלוטין והאדמה מתאוששת – אבל לאט מאוד (חשבו על זה כך – זה כמו שנשים את האצבע בתוך בצק ואז נמשוך אותה; הבצק בסופו של דבר חוזר לצורתו המקורית, אבל לאט). רייס אמר שייקחו לאדמה 1,000 שנים או יותר להתיישר בחזרה.

"חור כבידה" יוצא דופן באוקיינוס ההודי

אחד מאותות הכבידה החלשים ביותר על פני כדור הארץ מופיע על חלקת אוקיינוס מדרום לחצי האי ההודי, המשתרע על פני 1.2 מיליון קילומטרים רבועים. מדענים מנסים כבר תקופה ארוכה לעמוד על טיבה של התופעה, עד עתה ללא הצלחה.

"קיומו של חור הכבידה הוא אחת הבעיות הבולטות בתחום הגיאודינמיקה", אמר דבנג'אן פאל, גיאולוג במכון ההודי למדע. מכיוון שנקודת התורפה לא הייתה קשורה לתעלה או לשקע של משטח קרח, הסיבה לכוח הכבידה החלש נותרה עד כה בגדר תעלומה. במחקר שנערך לאחרונה, הראו פאל ועמיתתו Attreyee Ghosh כי האנומליה קשורה לפלומות של סלעים חמים בצפיפות נמוכה מהמעטפת שעלו לפני השטח לפני כ-20 מיליון שנה.

באמצעות מודלים ממוחשבים, הם דימו את התנועות של הלוחות הטקטוניים של כדור הארץ מלפני 140 מיליון שנה ועד היום. הם גילו שכאשר יבשת העל העתיקה גונדוואנה החלה להתפרק, הלוח ההודי החל לנוע צפונה. כשהלוח ההודי זז, אוקיינוס טתיס העתיק הסמוך התחיל להיסגר ושקע במעטפת, והפריע לחומר צפוף יותר שישב מעל הגבול של הליבה והמעטפת שלנו. פלומות מעטפת נוצרו והביאו חומר בצפיפות נמוכה יותר אל פני השטח, מה שעזר ליצור את כוח הכבידה נמוך.

החוקרים אומרים שקשה לדעת אם חור הכבידה ייעלם בסופו של דבר או שאולי יזוז.

מסה נמסה מהקרח של הקוטב

בעוד שרבות מהחריגות הכבידה הגדולות ביותר מקורן בתהליכים עתיקים וטבעיים, גם בני אדם משפיעים על כוח הכבידה באמצעות תנועת המים.

לאורך עונות השנה, חוקרים צופים בשינויים בנהרות, אגמים וגופי מים אחרים המתרחשים באופן טבעי דרך מחזור המים. אבל כשהאטמוספירה שלנו מתחממת עקב עלייה בגזי החממה, הדבר משפיע על מאגרי המים ומכסות הקרח הקוטביים.

"ההשפעה על גרינלנד היא השפעה גדולה מאוד", אמר טפלי. "יש כמות גדולה של מסה ש'נפלה' שם, ויש אות כבידה בולט הקשור לשינוי הזה". טפלי אמר שהמסת הקרח מעל פני השטח מורידה את אות הכבידה המושרה על ידי מים מעל היבשה ומוסיף לאות הכבידה באוקיינוס.

אבל המסת הקרח לא אומרת שהאות מעל גרינלנד נמוכה יותר באופן כללי. ככל שמשקל המים מצטמצם, הלוחות הטקטוניים מתאימים את עצמם ומאפשרים לחומר מהמעטפת לנוע פנימה ולהוסיף מסה, אמר טפלי. בנוסף, גרינלנד עדיין מתאוששת ומתרוממת מעידן הקרח האחרון (בדומה לתהליך עם משטח הקרח של לורנטייד אבל בקנה מידה מהיר יותר).

מחוץ למכסות הקרח של הקוטב, שאיבת מי תהום ובצורת יכולים גם כן להסיר מים מפני השטח ולגרום לשינויים קטנים בכוח הכבידה. הסטיות הללו קטנות בהרבה מאלה הנגרמות על ידי פלומות מגמה תת קרקעיות או תנועות טקטוניות של לוחות, אבל הן משתנות הרבה יותר מהר בסקאלות זמן קטנות יותר – ויהיו להן השלכות גדולות על אנשים ככל שהטמפרטורות העולמיות ימשיכו לעלות. מדידות אלו הן קריטיות למדענים כדי לעקוב אחר אספקת מים לצריכה כללית, חקלאות, אקוויפרים תת קרקעיים ועוד. "כל הדבר הזה שאנחנו מסתכלים עליו הוא מחזור המים והשינויים במחזור המים", אמר טפלי.