In april valt er zoveel water op de Amazone dat het massamiddelpunt van de aarde ongeveer 2,2 millimeter richting Zuid-Amerika verschuift. In maart was het in de tegenovergestelde richting gegaan, ongeveer 3 millimeter richting de Noordpool gesleept door sneeuw die zich tussen Noord-Amerika en Eurazië had opgehoopt. Dan komen de oceanen, de moessons en zelfs de koude lucht. Kortom, onze planeet heeft een centrum dat het hele jaar door allesbehalve stil blijft staan.
Om deze kleine beweging beter te meten is een nieuwe studie gepubliceerd in Geophysical Journal Internationalgeleid door geofysicus Donald Argus van het Jet Propulsion Laboratory van NASA. De nieuwe schatting suggereert dat de seizoensschommelingen van het massamiddelpunt ongeveer de helft bedragen van wat acht jaar geleden werd gedacht. Het is maar een paar millimeter, maar genoeg om geïnteresseerden te interesseren die de aarde met uiterste precisie moeten meten.
Het centrum van de aarde dat we voor GPS gebruiken, beweegt
Het massamiddelpunt valt niet noodzakelijkerwijs samen met het geometrische middelpunt van de planeet, dat wil zeggen het punt dat we ons zouden voorstellen in het midden van een perfect uniforme aarde. De eerste hangt af van hoe de gehele massa van het aardsysteem is verdeeld: rotsen, water, ijs en atmosfeer inbegrepen.
En die massa reist veel. Water stroomt van het land naar de oceanen en vice versa, sneeuw hoopt zich op en smelt, rivieren zwellen op, de vochtigheid van de bodem en het waterpeil veranderen, luchtmassa’s verplaatsen zich. Ondertussen vervormt het gewicht van water en ijs ook de aardkorst enigszins. Het resultaat is een massamiddelpunt dat een kleine seizoensschommeling beschrijft ten opzichte van het vaste oppervlak van de aarde.
De zaak wordt minder abstract zodra GPS in beeld komt. Het massamiddelpunt van de aarde, ook wel genoemd geocentrumis een fundamentele referentie voor geodetische systemen die worden gebruikt bij satellietnavigatie, cartografie en metingen van de hoogte van het aardoppervlak. Als je in de orde van millimeters werkt, is zelfs een centrum dat heel licht beweegt geen detail meer.
Bovendien was het nauwkeurig meten ervan tot nu toe niet eenvoudig. Twee internationale schattingen die in 2017 en 2023 werden gepubliceerd, verschilden ongeveer 7 millimeter van elkaar, bijna net zoveel als de beweging die ze probeerden te reconstrueren. Niet bepaald ideaal als de liniaal het betrouwbare deel van het experiment zou moeten zijn.
Twee metalen bollen, lasers en satellieten om een onzichtbaar punt te vinden
Het Argus-team combineerde vervolgens meerdere tools. Een belangrijk deel van het werk gaat via de LAGEOS 1- en LAGEOS 2-satellieten, respectievelijk gelanceerd in 1976 en 1992: twee metalen bollen van ongeveer 408 kilogram bedekt met prisma’s die de laserpulsen reflecteren die door de grondstations worden uitgezonden. LAGEOS-2 werd overigens gebouwd door de Italiaanse ruimtevaartorganisatie.
Satellieten draaien van nature rond het massamiddelpunt van de aarde. Door met uiterste precisie de afstand tot de grondstations te meten, is het mogelijk te reconstrueren waar dat centrum zich bevindt. Het probleem is dat laserstations niet gelijkmatig over de planeet zijn verdeeld.
De nieuwe techniek voegt vervolgens GPS-gegevens en orbitale informatie toe van andere satellieten in een lage baan en houdt ook rekening met de elastische vervormingen van de korst veroorzaakt door het gewicht van water en ijs. Een belangrijke stap: als de grond onder een station iets daalt of stijgt, is het punt vanwaar de meting begint ook verplaatst. Als u dit negeert, betekent dit dat u een fout introduceert terwijl u zoekt naar variaties van enkele millimeters.
De sneeuw duwt naar het noorden, de Amazone brengt alles terug naar het zuiden
Nadat ze de oscillatie hadden gereconstrueerd, scheidden de onderzoekers de bijdrage van drie grote massareservoirs: continentale wateren, oceanen en atmosfeer.
In maart bereikt de sneeuw die zich in Noord-Amerika en Eurazië heeft opgehoopt zijn seizoensmaximum en verschuift het massamiddelpunt met ongeveer 3 millimeter richting de Noordpool. Een maand later speelt het Amazonebekken een grote rol: tijdens de periode van maximale regenval bevat het ongeveer 2.400 gigaton meer water, genoeg om het geocentrum ongeveer 2,2 millimeter richting Zuid-Amerika te verplaatsen. In november levert de Zuidoost-Aziatische moesson een kleinere bijdrage, met ongeveer 600 gigaton water.
Tussen augustus en oktober verandert de verdeling opnieuw. Smeltwater en neerslag bereiken de oceanen en het massacentrum verschuift naar de Stille Zuidzee. De omvang van de Stille Oceaan betekent dat massavariaties in dat gebied veel zwaarder wegen dan die van individuele zeeën, hoewel de Middellandse Zee, de Oostzee, de Noordzee, de Rode Zee en de Barentszzee allemaal een kleine voetafdruk achterlaten.
Zelfs de sfeer speelt een rol. Koude lucht is dichter en daarom zwaarder: met behulp van een model van het European Centre for Medium-Range Weather Forecasts reconstrueerde het team hoe winterse luchtmassa’s de balans tussen de hemisferen seizoensgebonden veranderen.
De resultaten komen ook overeen met de waarnemingen van de twee GRACE-FO-satellieten, die sinds 2018 variaties in het zwaartekrachtveld van de aarde meten, voornamelijk door de bewegingen van water te volgen. Wanneer een van de twee satellieten over een gebied vliegt waar meer massa is geconcentreerd, wordt hij iets meer aangetrokken en verandert de afstand tot zijn begeleider. Niet veel, uiteraard. Genoeg om te meten.
De kleinere schatting verkregen door het nieuwe werk betekent niet dat de aarde plotseling haar beweging heeft gehalveerd. De manier van herbouwen is verbeterd. En die millimeters komen terecht in systemen die satellieten moeten lokaliseren, de zeespiegel moeten meten, de bewegingen van de aardkorst moeten volgen en steeds nauwkeurigere coördinaten moeten aanleveren.
Voor de volgende stap kijkt NASA nu al naar GRACE-C, de missie die bestemd is om de lange reeks zwaartekrachtwaarnemingen voort te zetten en die momenteel gepland staat voor eind 2028. Het centrum van de planeet zal met de seizoenen mee blijven bewegen. Nu hebben we tenminste een iets betere liniaal om te volgen.
