شذوذ الجاذبية

تُحسب الجاذبية العادية بناءً على الجاذبية الكلية للأرض، مع مراعاة شكلها المثالي ودورانها. ويتم حسابها بالصيغة التالية: $${\displaystyle g_{n}=g_{e}(1+\beta _{1}\sin ^{2}\lambda +\beta _{2}\sin ^{2}2\lambda )}$$ أين${\displaystyle g_{e}}$=9.780 327  م ⋅ ث ⁻² ؛${\displaystyle \beta _{1}}$=5.302 44 × 10 ⁻³ ؛ و${\displaystyle \beta _{2}}$=-5.8 × 10⁻⁶ . هذه القيمة دقيقة إلى 0.1 مليغال عند أي خط عرض ^.${\displaystyle \lambda }$عند الحاجة إلى دقة أكبر، تعطي صيغة أكثر تفصيلاً الجاذبية الطبيعية بدقة تصل إلى 0.0001 مليغال. ^{[ 7 ]}

تُحدث الشمس والقمر قوى مدّية متغيرة مع الزمن، تؤثر على القيمة المقاسة للجاذبية بنحو 0.3 ملي جال. ثلثا هذه القوة ناتجة عن القمر. هذا التأثير مفهوم جيدًا، ويمكن حسابه بدقة لوقت وموقع محددين باستخدام البيانات والصيغ الفيزيائية الفلكية، للحصول على تصحيح المدّ △ g _tid . ^{[ 8 ]}

تؤثر تضاريس سطح الأرض المحلية على قياس الجاذبية. فكل من التضاريس الأعلى من نقطة القياس والوديان الأدنى منها تُقلل من قيمة الجاذبية المقاسة. ويُؤخذ هذا في الحسبان من خلال تصحيح التضاريس △ gT . يُحسب تصحيح التضاريس بناءً على معرفة التضاريس المحلية وتقديرات كثافة الصخور المكونة للأرض المرتفعة. وبذلك، _يُسوّي تصحيح التضاريس الأرض المحيطة بنقطة القياس. ^{[ 9 ]}

يجب حساب تصحيح التضاريس لكل نقطة تُقاس عندها الجاذبية، مع مراعاة كل تلة أو وادٍ يزيد فرق ارتفاعه عن نقطة القياس عن 5% تقريبًا من المسافة بينهما. هذه العملية شاقة وتستغرق وقتًا طويلاً، لكنها ضرورية للحصول على قيمة دقيقة لشذوذ الجاذبية. ^{[ 10 ]}

التصحيح التالي هو تصحيح الهواء الحر. يأخذ هذا التصحيح في الحسبان حقيقة أن القياس عادةً ما يكون على ارتفاع مختلف عن ارتفاع الإهليلج المرجعي عند خطي العرض والطول للقياس. بالنسبة لنقطة قياس أعلى من الإهليلج المرجعي، يعني هذا أن جاذبية كتلة الأرض الكلية تنخفض قليلاً. تصحيح الهواء الحر هو ببساطة 0.3086 مليغال متر⁻¹ ^{مضروبًا} في الارتفاع فوق الإهليلج المرجعي. ^{[ 11 ]}

يُطلق على الشذوذ المتبقي في الجاذبية عند هذه النقطة في عملية الاختزال اسم شذوذ الهواء الحر . أي أن شذوذ الهواء الحر هو: ^{[ 12 ]}$${\displaystyle \Delta g_{F}=g_{m}+(\Delta g_{FA}+\Delta g_{T}+\Delta g_{\text{tide}})-g_{n}}$$

لا تأخذ شذوذات الهواء الحر في الحسبان طبقة المواد (بعد تسوية التضاريس) خارج القطع الناقص المرجعي. ويتم أخذ جاذبية هذه الطبقة أو الصفيحة في الاعتبار من خلال تصحيح صفيحة بوجيه، وهو−0.0419 × 10−3 ρ h mgal m ² kg ⁻¹ . تُعتبر كثافة صخور القشرة الأرضية، ρ، عادةً 2670  kg m ^−3، لذا يُؤخذ تصحيح صفيحة بوغير عادةً على أنه −0.1119 mgal m ⁻¹ h . هنا، ^h هو الارتفاع فوق سطح الإهليلج المرجعي. ^{[ 13 ]}

يُطلق على الشذوذ المتبقي في الجاذبية عند هذه النقطة في عملية الاختزال اسم شذوذ بوغير . أي أن شذوذ بوغير هو: ^{[ 12 ]}$${\displaystyle \Delta g_{B}=g_{m}+(\Delta g_{BP}+\Delta g_{FA}+\Delta g_{T}+\Delta g_{\text{tide}})-g_{n}}$$

تكون شذوذات بوغير موجبة فوق أحواض المحيطات وسالبة فوق المناطق القارية المرتفعة. وهذا يدل على أن انخفاض أحواض المحيطات وارتفاع القارات يُعوضان بسماكة القشرة الأرضية في الأعماق. وتُحمل التضاريس المرتفعة بفعل طفو القشرة السميكة "العائمة" على الوشاح. ^{[ 14 ]}

يُعرَّف الشذوذ الإيزوستاتيكي بأنه شذوذ بوجيه مطروحًا منه شذوذ الجاذبية الناتج عن التعويض تحت السطحي، وهو مقياس للانحراف الموضعي عن التوازن الإيزوستاتيكي، بسبب العمليات الديناميكية في الوشاح اللزج. في مركز هضبة مستوية، يساوي تقريبًا شذوذ الهواء الحر. ^{[ 15 ]} يعتمد التصحيح الإيزوستاتيكي على النموذج الإيزوستاتيكي المستخدم لحساب التوازن الإيزوستاتيكي، ولذا فهو يختلف قليلًا بين نموذج آيري-هيسكانين (الذي يفترض أن القشرة والوشاح متجانسان في الكثافة وأن التوازن الإيزوستاتيكي يتحقق من خلال تغيرات في سمك القشرة)، ونموذج برات-هايفورد (الذي يفترض أن قاع القشرة على نفس العمق في كل مكان وأن التوازن الإيزوستاتيكي يتحقق من خلال تغيرات جانبية في كثافة القشرة)، ونموذج فينينغ ماينز للصفائح المرنة (الذي يفترض أن القشرة تتصرف كصفيحة مرنة). ^{[ 16 ]}

النمذجة الأمامية هي عملية حساب الشكل التفصيلي للتعويض المطلوب بواسطة نموذج نظري واستخدام هذا لتصحيح شذوذ بوجيه للحصول على شذوذ متساوي التوازن. ^{[ 17 ]}

تكون شذوذات بوجيه فوق القارات سالبة عمومًا، لا سيما فوق السلاسل الجبلية. ^{[ 18 ]} فعلى سبيل المثال، تبلغ شذوذات بوجيه النموذجية في جبال الألب الوسطى -150 مليغال. ^{[ 19 ]} في المقابل، تكون شذوذات بوجيه موجبة فوق المحيطات. وتعكس هذه الشذوذات تفاوت سماكة قشرة الأرض. فالتضاريس القارية المرتفعة مدعومة بقشرة سميكة منخفضة الكثافة "تطفو" على الوشاح الأكثر كثافة، بينما قاع أحواض المحيطات مغطى بقشرة محيطية أرق بكثير. وتكون شذوذات الهواء الحر والشذوذات الإيزوستاتية صغيرة بالقرب من مراكز أحواض المحيطات أو الهضاب القارية، مما يدل على أنها في حالة توازن إيزوستاتيكي تقريبًا. ويتوازن التجاذب الجاذبي للتضاريس المرتفعة مع انخفاض التجاذب الجاذبي لجذورها منخفضة الكثافة. وهذا يجعل شذوذ الهواء الحر، الذي يُهمل فيه حدود التصحيح لكليهما، قريبًا من الصفر. يشمل الشذوذ الإيزوستاتيكي حدود تصحيح لكلا التأثيرين، مما يقلله إلى الصفر تقريبًا. أما شذوذ بوغير فيشمل فقط التصحيح السلبي للتضاريس المرتفعة، ولذا فهو سالب بشدة. ^{[ 18 ]}

بشكل عام، تكون شذوذية إيري الإيزوستاتيكية صفرًا فوق المناطق التي تشهد تعويضًا إيزوستاتيكيًا كاملًا. كما تكون شذوذية الهواء الحر قريبة من الصفر باستثناء المناطق القريبة من حدود الكتل القشرية. وتكون شذوذية بوجيه سالبة جدًا فوق التضاريس المرتفعة. وينعكس هذا الأمر في الحالة النظرية للتضاريس غير المعوضة تمامًا: إذ تكون شذوذية بوجيه صفرًا بينما تكون شذوذية الهواء الحر وشذوذية إيري الإيزوستاتيكية موجبة جدًا. ^{[ 15 ]}

تُظهر خريطة شذوذ بوجيه لجبال الألب سمات إضافية إلى جانب جذور الجبال العميقة المتوقعة. يرتبط الشذوذ الموجب بجسم إيفريا ، وهو إسفين من صخور الوشاح الكثيفة التي علقت بفعل تصادم قاري قديم. تُنتج الرواسب منخفضة الكثافة لحوض مولاس شذوذًا سالبًا. تُقدم مسوحات أوسع نطاقًا في جميع أنحاء المنطقة أدلة على وجود منطقة اندساس متبقية. ^{[ 20 ]} ترتبط الشذوذات الإيزوستاتيكية السالبة في سويسرا بمناطق الرفع النشط، بينما ترتبط الشذوذات الموجبة بالهبوط. ^{[ 21 ]}

فوق سلاسل الجبال في منتصف المحيط ، تكون الشذوذات في الهواء الحر صغيرة وتتوافق مع تضاريس قاع المحيط. ويبدو أن سلسلة الجبال وجوانبها متوازنة تمامًا من الناحية الإيزوستاتية. توجد قيمة موجبة كبيرة لضغط بوجيه، تتجاوز 350 مليغال، على بعد أكثر من 1000 كيلومتر (620 ميلًا) من محور سلسلة الجبال، وتنخفض إلى 200 مليغال على امتداد المحور. يتوافق هذا مع البيانات الزلزالية ويشير إلى وجود حجرة صهارة منخفضة الكثافة أسفل محور سلسلة الجبال. ^{[ 22 ]} 

توجد شذوذات قوية في الضغط المتساوي وضغط الهواء الحر على طول الأقواس الجزرية ، مما يشير إلى تأثيرات ديناميكية قوية في مناطق الاندساس. يبلغ شذوذ ضغط الهواء الحر حوالي +70 مليغال على طول ساحل جبال الأنديز، ويعزى ذلك إلى الصفيحة الكثيفة المندسة. أما الخندق نفسه، فيتميز بقيم سالبة للغاية، ^{[ 23 ]} حيث تتجاوز القيم السالبة -250 مليغال. وينتج هذا عن مياه المحيط منخفضة الكثافة والرواسب التي تملأ الخندق. ^{[ 24 ]}

تُقدّم شذوذات الجاذبية أدلةً على عمليات أخرى تحدث في أعماق الغلاف الصخري . فعلى سبيل المثال، قد يُفسّر تكوّن جذر الغلاف الصخري وهبوطه الشذوذات الإيزوستاتيكية السلبية في شرق جبال تيان شان . ^{[ 25 ]} ويبدو أن شذوذ الجاذبية في هاواي يُعوَّض بالكامل داخل الغلاف الصخري، وليس داخل الغلاف المائع السفلي، مما يُناقض تفسير ارتفاع هاواي كنتيجة لتدفق الغلاف المائع المرتبط بعمود الوشاح السفلي. وقد يكون الارتفاع بدلاً من ذلك نتيجةً لترقق الغلاف الصخري: فالغلاف المائع السفلي أقل كثافةً من الغلاف الصخري، ويرتفع مُحدثاً الانتفاخ. ثم يُؤدي التبريد اللاحق إلى زيادة سُمك الغلاف الصخري مرةً أخرى، ويحدث الهبوط. ^{[ 26 ]}

تُستخدم الشذوذات المحلية في الجيوفيزياء التطبيقية . فعلى سبيل المثال، قد يشير شذوذ موجب محلي إلى وجود جسم من خامات المعادن . وعادةً ما تُمثل قباب الملح في خرائط الجاذبية على شكل انخفاضات، لأن كثافة الملح منخفضة مقارنةً بالصخور التي تخترقها القبة. ^{[ 27 ]}

على نطاقات تتراوح بين سلاسل جبلية كاملة وتكوينات خام، قد تشير شذوذات بوغير إلى أنواع الصخور. على سبيل المثال، يمثل الارتفاع الممتد من الشمال الشرقي إلى الجنوب الغربي عبر وسط نيو جيرسي منخفضًا من العصر الترياسي مليئًا إلى حد كبير بالبازلت الكثيف . ^{[ 28 ]}

يُلاحظ أكبر تدرج في الجاذبية القارية في العالم عبر منطقة صدع وودروف ثرست-مان في وسط أستراليا، ويعزى ذلك إلى اندفاع مواد الوشاح الكثيفة لمسافة 30 كيلومترًا أقرب إلى سطح الأرض الحالي، والذي حدث خلال حقبة بيترمان لتكوين الجبال التي امتدت من 630 إلى 520 مليون سنة . ^{[ 29 ] [ 30 ]}