Солнечные затмения в Византии помогли уточнить неравномерность вращения Земли

Солнечные затмения славятся своей предсказуемостью. Благодаря астрономам наблюдатели точно знают расположение полос полных затмений, которые обычно имеет всего пару сотен километров в ширину. Стоит промахнуться — и вместо незабываемого зрелища ночного неба, в котором висит черный диск, обрамленный солнечной короной, наблюдатель увидит гораздо менее впечатляющее частное солнечное затмение.

Регулярность движения небесных тел позволяет рассчитывать солнечные затмения на многие сотни лет вперед и назад. Например, 16 октября 2126 года и 4 мая 2972 года центр лунной тени пройдет через Москву. Но оказывается, точность этих предсказаний не абсолютна: если про первую дату еще можно говорить с уверенностью, то второе затмение может обойти нас стороной (если Москва не вырастет в несколько раз).

Положения планет, их спутников и космических аппаратов астрономы знают и рассчитывают с фантастической точностью — откуда же берется неопределенность? Дело во вращении Земли вокруг своей оси. О разнообразных причинах его неравномерности мы недавно выпускали подробный материал, а здесь расскажем о них кратко.

В природе нет постоянных величин, кроме фундаментальных физических констант и их производных, — есть недостаточная точность измерения. С появлением атомных часов от эталона времени, основанного на сутках, пришлось отказаться: их длина подвержена как хорошо предсказуемым регулярным сдвигам, так и хаотическим колебаниям.

К первым относится влияние лунных приливов, которое увеличивает длину суток на 1,7 — 2,3 миллисекунды за столетие (величина зависит от метода расчета, некоторые подробности можно найти здесь). Хаотические колебания вызваны перераспределениями массы относительно оси вращения Земли: воздушными и океаническими течениями, сейсмическими и многими другими явлениями. Если часть массы отодвигается от оси, например при таянии полярных ледяных щитов, Земля замедляет свое вращение, как балерина, раскинувшая руки, и наоборот.

Вековое замедление вращения Земли вызывает отклонение земного времени от всемирного. Первое определяется, собственно, по земному вращению, а второе — по атомным часам: в сутках всегда ровно 86400 эталонных секунд. Это отклонение растет пропорционально квадрату прошедшего времени, и за две тысячи лет оно достигает примерно пары часов. Суммарный «набег» от хаотических отклонений тоже возрастает с увеличением интервала времени — на долгих промежутках становится заметным вклад все более «медленных» процессов на поверхности Земли и в ее недрах.

Воссоздать историю суточного вращения Земли помогают исторические свидетельства о полных солнечных затмениях. Ширина лунной тени обычно составляет пару сотен километров, а линейная скорость вращения земной поверхности достигает почти полукилометра в секунду. Если Земля к моменту затмения «не довернется» всего на десять минут, полоса целиком сместится в сторону от расчетного положения.

Исследуя античные и средневековые свидетельства о солнечных затмениях, астрономы реконструировали вращение Земли за последние три тысячи лет, но в этой «летописи» оставался пробел раннего Средневековья, из которого сохранилось слишком мало летописных свидетельств. В 1000 году суммарное отклонение составляло пол-часа, на рубеже новой эры — целых три часа, а в промежутке между этими датами, благодаря неизвестному вкладу случайных колебаний, оно могло составлять и час, и все два.

Ученые из университета Цукубы во главе с Хисаши Хаякавой (Hisashi Hayakawa) восполнили этот пробел, проанализировав византийские летописи с четвертого по седьмой века нашей эры. Полный текст их работы, со сканами и расшифровками оригиналов летописей, находится в открытом доступе. В летописях удалось отыскать свидетельства о полных солнечных затмениях 346, 418, 484, 601 и 693 годов, и одно из них стало особенно показательным.

Современные расчеты предсказывали лишь частное затмение в столице Византии — Константинополе —в 418 году, но летописец Филосторгий утверждает, что в тот день стало темно, как ночью, и в небе были видны звезды. Другие летописи позволили воссоздать полную картину: в пятом веке замедление вращение Земли чуть снизило свой темп, а в последующие два века — наоборот, ускорилось. Благодаря этому затмение в Константинополе действительно оказалось полным.

Вероятнее всего, такие долговременные колебания темпа замедления вращения Земли связаны с «неторопливыми» процессами: таянием ледников или изменениями в режиме циркуляции расплавленного железа в земном ядре.