I cambiamenti stagionali ridistribuiscono una quantità d’acqua sufficiente a spostare avanti e indietro il centro di massa della Terra di frazioni di pollice rispetto al suo centro geometrico. Gli scienziati della NASA stanno studiando il fenomeno e monitorando queste oscillazioni, perché il centro di massa terrestre è un punto di riferimento cruciale per la navigazione satellitare e per le misurazioni delle quote.
Un team guidato dal Jet Propulsion Laboratory della NASA, nel sud della California, ha proposto un metodo per calcolare con estrema precisione le variazioni stagionali. La tecnica e i risultati sono descritti in un nuovo studio pubblicato su Geophysical Journal International. Gli autori offrono un quadro vivido dei disgeli primaverili, degli oceani in movimento e dell’aria invernale densa che, di stagione in stagione, spostano enormi carichi sulla superficie terrestre.
Questo studio non è il primo tentativo di determinare il centro di massa della Terra. Nel corso dei decenni, gli scienziati hanno sviluppato diverse tecniche basate sullo spazio per definirlo e localizzarlo. Ma si tratta di un obiettivo in continuo movimento. Se la Terra fosse una rigida biglia blu, il suo centro di massa coinciderebbe semplicemente con il suo centro geometrico. In realtà, il pianeta si muove e si incurva sotto il peso dell’acqua, del ghiaccio e dell’aria. Per questo, il centro di massa della Terra ruota continuamente attorno al suo centro geometrico, arrivando a spostarsi di diversi millimetri.
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Il progetto NASA di geodesia spaziale utilizza attualmente diverse tecniche, basate sullo spazio e sulla Terra, per monitorare il movimento verso l’alto e verso il basso, nonché da un lato all’altro, del centro di massa terrestre (chiamato anche geocentro). Questa animazione mostra il movimento, su scala millimetrica, dal 1993 al 2017.
NASA’s Scientific Visualization Studio
Quanto sono accurati i metodi esistenti per misurare l’entità di questo movimento? Le ultime due stime internazionali, realizzate nel 2017 e nel 2023, differiscono di 0,27 pollici (7 millimetri), all’incirca l’altezza di tre monete da cinque centesimi americane impilate. La differenza è quasi grande quanto il movimento stesso.
Per ridurre l’incertezza, il geoscienziato del JPL Donald Argus ha guidato lo sviluppo di una nuova tecnica basata sul monitoraggio satellitare ultrapreciso.
Spinti dalla gravità, i satelliti orbitano naturalmente attorno al centro di massa della Terra, come se fossero legati da cavi invisibili. Piccoli cambiamenti nella distanza tra i satelliti e le stazioni a terra riflettono lo spostamento del centro di massa terrestre.
Utilizzare i satelliti per localizzare il centro di massa della Terra non è un’idea nuova. Anzi, due satelliti metallici pesanti, lanciati nel 1976 e nel 1992, sono dedicati esclusivamente a questo scopo. Simili a palle da discoteca da 900 libbre (408 chilogrammi), entrambi i satelliti Laser Geodynamics (LAGEOS 1 e 2) sono ricoperti di prismi riflettenti e monitorati con precisione laser attraverso stazioni a terra distribuite in tutto il mondo, in più di 20 Paesi.
Tuttavia, il tracciamento laser satellitare presenta un limite: la distribuzione delle stazioni a terra sulla Terra non è uniforme. La nuova tecnica migliora l’accuratezza in due modi. Innanzitutto, integra il tracciamento GPS con i dati orbitali di diversi satelliti in orbita terrestre bassa, fornendo una gamma diversificata di obiettivi. Inoltre, tiene conto del modo in cui il peso dell’acqua e del ghiaccio deforma la crosta terrestre, facendo sì che anche le stazioni a terra seguano questo movimento.
La tecnica è stata sviluppata da Argus insieme a ricercatori del gruppo del JPL per la determinazione delle orbite satellitari, dell’University of Nevada, della University of Montana e dell’Helmholtz Centre for Geosciences in Germania.
«Ora stimiamo che l’entità del movimento avanti e indietro del centro di massa terrestre ogni anno sia circa la metà di quella che ritenevamo otto anni fa», ha dichiarato Argus. «I nostri risultati suggeriscono che la massa dell’acqua e dell’aria terrestri che si sposta tra un emisfero e l’altro è inferiore a quanto ritenuto in precedenza».
Felix Landerer, coautore dello studio presso il JPL, ha osservato che «sebbene questi movimenti possano sembrare minimi, il nostro mondo moderno si basa su misurazioni di posizionamento estremamente accurate. Svelando e comprendendo i meccanismi che modificano i sistemi di riferimento, possiamo costruire sistemi di riferimento migliori, che in ultima analisi favoriscono la cartografia e la navigazione, dalla logistica delle spedizioni globali all’agricoltura di precisione».
Cosa hanno scoperto
Gli autori dello studio hanno monitorato l’oscillazione stagionale del centro di massa terrestre e ne hanno attribuito la causa a tre categorie: oceani, atmosfera e acque continentali (composte da ghiaccio terrestre, neve, acqua di laghi e fiumi, umidità del suolo e acque sotterranee).
Hanno scoperto che l’accumulo di neve in Nord America ed Eurasia raggiunge il massimo a marzo e sposta il centro di massa terrestre di circa 3 millimetri verso il Polo Nord. Un mese dopo, ad aprile, l’acqua piovana nel bacino del Rio delle Amazzoni raggiunge il picco di 2.400 gigatonnellate, facendo oscillare il centro di massa terrestre di 2,2 millimetri verso il Sud America. Sei mesi più tardi, a novembre, l’acqua dei monsoni nel Sud-est asiatico raggiunge un massimo di 600 gigatonnellate, contribuendo leggermente all’oscillazione annuale.
Tra agosto e ottobre, gli oceani si gonfiano per l’acqua derivante dallo scioglimento dei ghiacci e per la pioggia, e il centro di massa terrestre si sposta verso l’Oceano Pacifico meridionale. L’Oceano Pacifico è così vasto che i cambiamenti di massa al suo interno prevalgono sulle perdite o sugli aumenti negli altri oceani, anche se le dinamiche stagionali del Mediterraneo, del Mar Rosso, del Mare del Nord, del Mar Baltico e del Mare di Barents contribuiscono, ciascuna a modo proprio e in misura ridotta, a spostare il centro di massa terrestre.
I ricercatori hanno utilizzato un modello sviluppato dall’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts per stimare in che modo i cambiamenti atmosferici influenzino il centro di massa terrestre nel corso delle stagioni. Hanno scoperto che l’aria invernale fredda e densa contribuisce a spostare il baricentro sopra l’Arabia, l’Asia e l’Africa settentrionale intorno al 21 dicembre di ogni anno, e sopra il Sud America e l’Africa meridionale intorno al 21 giugno.
I calcoli della massa effettuati nello studio sono coerenti con le osservazioni della missione Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO). Lanciata nel 2018, la missione è composta da due satelliti che mappano le variazioni mensili dell’attrazione gravitazionale terrestre, dovute principalmente allo spostamento della massa d’acqua sopra e sotto il suolo. I due satelliti volano in formazione precisa e, quando quello in testa passa sopra una massa densa, come un bacino fluviale gonfio d’acqua, l’attrazione gravitazionale supplementare modifica di una quantità piccola ma misurabile la distanza dal suo gemello.
La missione GRACE-FO è una collaborazione congiunta tra la NASA e il German Research Centre for Geosciences (GFZ). La missione di nuova generazione GRACE-Continuity (GRACE-C) punta a essere lanciata alla fine del 2028 per prolungare il registro di dati della serie GRACE, che copre quasi 25 anni.
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Scritto da Sally Younger
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Fonte originale: nasa.gov
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