ZNANSTVENICI već desetljećima proučavaju intrigantne "gravitacijske rupe", golema područja na Zemlji u kojima su učinci gravitacije znatno slabiji od prosjeka.

Taj fenomen posebno je izražen u Indijskom oceanu i na Antarktici. Naime, učinci gravitacije ispod ledenog kontinenta slabiji su nego što bi se očekivalo.

Što su gravitacijske "rupe"?

Da bismo shvatili zašto postoje gravitacijske "rupe", treba krenuti od činjenice da gravitacija na Zemlji nije svugdje jednaka jer naš planet nije savršena kugla. Spljošten je na polovima, izbočen na ekvatoru, na njemu postoje uzvisine i udubine, a u njegovoj unutrašnjosti, u plaštu, stalno se kreću goleme stijene. Ta spora kretanja užarenih stijena duboko u Zemljinom plaštu, u kojima se topliji materijal uzdiže, a hladniji tone, nazivaju se konvekcija. Ona uzrokuju preraspodjelu mase, a gravitacija ovisi upravo o raspodjeli mase.

Znanstvenici nepravilnu gravitacijsku površinu Zemlje prikazuju pomoću geoida - zamišljene razine mora koja bi postojala kada bi voda reagirala samo na gravitaciju i rotaciju Zemlje. Geoid izgleda poput krumpira, s izbočenjima i udubljenjima. Udubljenja su gravitacijske anomalije, kolokvijalno nazvane "gravitacijske rupe".

Gravitacijska "rupa" u Indijskom oceanu

Najpoznatija takva anomalija, prvi put identificirana 1948., nalazi se u Indijskom oceanu. U tom području razina mora je oko 100 metara niža od globalnog prosjeka. Treba napomenuti da je tu riječ je o razlici u visini geoida, a ne o stvarnoj “rupi” u vodi.

Ona je vjerojatno posljedica dubokih struktura u plaštu koje potječu od potonulih ostataka oceanske kore nad kojom se nalazio drevni ocean Tetis. Te guste stijene spuštale su se stotinama kilometara duboko, dok su se oko njih uzdizali stupovi toplog, rjeđeg materijala. Takva kretanja promijenila su raspodjelu gustoće u plaštu i oslabila gravitacijsko privlačenje iznad Indijskog oceana.

Utjecaj rotacije na gravitaciju

Ovdje treba imati na umu da na silu privlačnosti na određenom mjestu utječu dva glavna čimbenika: rotacija Zemlje i raspodjela mase duboko u plaštu.

Zbog rotacije Zemlje oko njezine osi na objekte na površini djeluje centrifugalna sila koja je najjača na ekvatoru, a najslabija oko polova. Antarktika se nalazi u području oko Južnog pola, pa ondje centrifugalna sila koja djeluje prema van, ne smanjuje gravitacijsku silu koja djeluje prema središtu Zemlje. Iz toga proizlazi da bi gravitacija ondje trebala biti nešto jača nego na ekvatoru, gdje centrifugalna sila dosta snažno djeluje u smjeru suprotnom od gravitacije.

Utjecaj gustoće plašta na gravitaciju

Međutim, stvarna mjerenja pokazuju da je gravitacija ispod Antarktike slabija nego što bi se očekivalo. Razlog tome je ono što se događa stotinama kilometara ispod nje. U Zemljinom plaštu stijene se vrlo sporo kreću u procesu koji nazivamo konvekcija. Ako se ispod nekog područja nalazi topliji, rjeđi materijal, ondje je ukupna masa po jedinici volumena manja.

Sila gravitacije pojednostavljeno ovisi o ukupnoj masi Zemlje i udaljenosti od njezina središta u skladu s formulom F = G (m₁ m₂) / r², gdje je F sila, G gravitacijska konstanta, m₁ masa Zemlje, m₂ naša masa, a r udaljenost našeg središta od središta Zemlje.

No, budući da masa u Zemlji nije jednako raspoređena, ako je ispod Antarktike prisutno manje guste tvari ili je ona potonula dublje u unutrašnjost, gravitacijsko privlačenje na površini bit će slabije nego što bi se očekivalo samo na temelju oblika i rotacije planeta.

Veza "rupa" i klime

Prema novom radu, objavljenom u časopisu Scientific Reports, profesor geofizike sa Sveučilišta Floride Alessandro Forte i znanstvenik s Pariškog instituta za fiziku Zemlje Petar Glišović otkrili su da su pomicanja golemih stijena ispod Antarktike povezana s velikim promjenama u klimi tog kontinenta.

To sugerira da su promjene u gravitaciji možda mogle omogućiti rast ledenih pokrova. Naime, čak i malo smanjenje u gravitaciji moglo je dugoročno povećati zadržavanje leda na kontinentu. Treba napomenuti da je riječ o dugoročnim procesima na geološkim vremenskim skalama, a ne o čimbenicima koji objašnjavaju današnje klimatske promjene.

Snimanje unutrašnjosti pomoću potresa

Kako bi istražili kako se gravitacija u području Antarktike mijenjala tijekom milijuna godina, znanstvenici su analizirali bogatu bazu podataka o potresima zabilježenima diljem svijeta.

"Zamislite da radimo CT snimku cijele Zemlje, ali nemamo rendgenske zrake kao u liječničkoj ordinaciji", rekao je Forte u priopćenju. "Imamo potrese. Valovi potresa pružaju ‘svjetlo’ koje osvjetljava unutrašnjost planeta", dodao je.

Naime, potresni valovi putuju kroz unutrašnjost planeta i mijenjaju brzinu ovisno o gustoći materijala, pa omogućuju trodimenzionalnu rekonstrukciju plašta. Australsko-hrvatski geofizičar, akademik Hrvoje Tkalčić kaže da seizmička tomografija u tom smislu uistinu funkcionira slično CT-u.

"Umjesto rendgenskih zraka ona koristi potresne valove koji prirodno nastaju diljem svijeta. No, treba napomenuti da je pokrivenost seizmičkim postajama ispod Antarktike relativno slaba, što unosi neizvjesnost u rekonstrukcije strukture plašta na tim dubinama, što i sami autori priznaju", dodaje.

Promjene anomalije kroz milijune godina

Pomoću računalnih modela tim je rekonstruirao stanje gravitacijske anomalije prije 70 milijuna godina, u vrijeme kada su dinosauri još hodali Zemljom. Utvrdili su da je ona jačala tijekom desetaka milijuna godina te da se podudarala s velikim promjenama u klimatskom sustavu kontinenta i sa širenjem ledenjaka, što je imalo dalekosežne učinke na razine mora i kiselost oceana. To razdoblje podudara se s prijelazom iz toplog svijeta bez trajnog leda u današnji u kojem postoji ledeni kontinent. Kada je Antarktika prije oko 34 milijuna godina ušla u stanje trajne glacijacije, promijenile su se i globalne razine mora i kemija oceana.

Tkalčić napominje da geodinamičari uzimaju tomografski model kao početnu sliku Zemljine unutrašnjosti te da onda pomoću geodinamičkih modela i osnovnih fizikalnih zakona ekstrapoliraju vremensku komponentu, odnosno evoluciju konvekcije u plaštu.

"Ako je tomografska slika u sadašnjem vremenu neizvjesna, ta neizvjesnost će se prenositi i u modele plašta i gravitacijskih anomalija Zemlje iz prošlosti", tumači.

Iako rezultati ne dokazuju izravnu uzročno-posljedičnu vezu - da su pomicanja stijena i promjene gravitacije uzrokovali rast leda - Forte i Glišović planiraju ispitati jesu li promjene razine mora izravno povezane s jačanjem te anomalije.

Golema "rupa" u Indijskom oceanu

Znanstvenici su već ranije otkrili da se duboko ispod Indijskog oceana prostire golema gravitacijska anomalija, veća od milijun četvornih kilometara, u kojoj je gravitacijsko privlačenje slabije nego gotovo bilo gdje drugdje na planetu.

Antarktika je, čini se, druga, još moćnija i zanimljivija verzija iste priče jer postoji mogućnost da je slabija gravitacija ispod kontinenta mogla dugoročno utjecati na stabilnost ledenih ploča i lokalnu razinu mora. Drugim riječima, duboki procesi u plaštu mogli su neizravno oblikovati površinske klimatske uvjete.

Nadopuna klimatskog sustava

Ako se to potvrdi, trebat će proširiti pojam klimatskog sustava jer je moguće da on ne obuhvaća samo atmosferu i oceane, nego i sporu, ali moćnu dinamiku unutrašnjosti Zemlje. To bi značilo da su emisije stakleničkih plinova, iako dominantan uzrok današnjih klimatskih promjena, ipak samo jedan sloj u priči.

Tkalčić kaže da je "dinamika plašta svakako relevantan čimbenik na geološkim vremenskim skalama, no da njezin relativni doprinos u usporedbi s atmosferskim i oceanografskim procesima tek treba biti kvantificiran."