• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
12 августа
Василий Парфенов
7
13 053

Скорость вращения Земли, причины ее изменения и что нам об этом известно

4.7

В конце июля многие СМИ опубликовали новости с заголовками вида «Земля стала вращаться быстрее — и ученые не знают почему». К концу первой недели августа тема добралась и до русскоязычного сегмента Сети. На поверку этот инфоповод пусть и без негативных последствий, но демонстрирует основные пороки современной (не только научно-популярной) журналистики. Рассказываем, как в действительности изменяется скорость вращения нашей планеты, насколько хорошо известны причины таких осцилляций, а также почему ученые никогда ничего не знают наверняка (и это нормально).

Про скорость вращения Земли, причины ее изменения и что нам об этом известно
Анимация из кадров, сделанных аппаратом «Электро-Л №2» (GOMS-3) / ©«Роскосмос», Научный Центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ)

Международная служба вращения Земли (МСВЗ, IERS), которая отвечает, собственно, за мониторинг этого самого вращения, сообщила, что 29 июня стало самым коротким днем за всю историю наблюдений. Отклонение от «нормальных» 24 часов составило 1,59 миллисекунды. Поскольку анализ данных — процесс длительный, его результаты стали известны лишь к концу июля. Более того, еще неизвестно, когда удастся установить причины конкретно этой аномалии с приемлемой точностью. Вероятнее всего, произойдет это не раньше следующего года, хотя первые обоснованные предположения уже есть. Тем не менее СМИ успели «раскрутить» инфоповод, изрядно сгустив краски.

Отследить хронологически, кто запустил цепочку эмоциональных публикаций не так-то просто, IERS на своем сайте пока отчет не размещала, а пресс-релизы получают многие издания. Одним из первых соответствующую новость опубликовал портал TimeAndDate. Надо отдать должное коллегам — кликбейтом они баловаться не стали, зато описали основные причины осцилляций скорости вращения нашей планеты. Правда, совсем без алармизма авторы статьи обойтись не смогли: несмотря на невероятно малое отклонение длительности 29 июня от «нормальной» продолжительности дня (1,59 миллисекунды), его назвали возможным поводом добавить «високосную» секунду в будущем. А такая мера угрожает серьезными проблемами с компьютерными системами по всему миру.

Вероятно, неопределенность в причинах изменения скорости вращения Земли, страшилка про очередную «проблему 2000 года» и легкий налет апокалиптичности привлекли журналистов других изданий. Начиная с последних дней июля, как горох из дырявого мешка, посыпались публикации с заголовками разной степени «желтизны». От «таинственного» ускорения земного вращения в Vice Motherboard до «катастрофических» последствий этого явления по версии Independent. Безусловно, можно найти еще более далекие от реальности заголовки по этому инфоповоду, но даже вполне авторитетные издания нас удивили — хорошо хоть в самих текстах более или менее достоверно обрисовали ситуацию. Однако сильнее всего разочаровали множество русскоязычных изданий, в которых почти одинаково новость подали так, будто вообще никто не знает причин самого короткого дня.

Небольшая физическая справка

Чтобы описываемые далее физические процессы были понятнее, нужно держать в голове два закона сохранения: импульса и углового момента (англоязычные страницы «Википедии» гораздо более информативны и наглядны: 1, 2, соответственно). Импульс — это произведение массы на скорость, он является мерой движения тела (важно: это векторная величина). Момент импульса, он же угловой момент — аналогичная характеристика вращающихся тел и их систем. Законы сохранения гласят, что в замкнутой системе суммы всех импульсов (и угловых моментов для вращающихся тел) неизменны. Если два тела сталкиваются, их импульсы перераспределяются, но векторная сумма остается неизменной.

Проще всего иллюстрировать закон сохранения импульса таким примером: ракета массой 100 килограммов (с топливом), единомоментно в вакууме выбросив из своего двигателя 20 килограммов топлива со скоростью 1000 метров в секунду, полетит в противоположную сторону со скоростью 250 метров в секунду (20 × 1000 = 80 × 250). Для реальных применений требуется более сложная формула (Циолковского), учитывающая эффективность двигателей и плавность изменения массы ракеты по мере расходования топлива, но и этот идеализированный пример достаточно нагляден. При столкновении двух тел механика практически не меняется. Если отбросить вопросы деформации, то 20 килограммов топлива могли быть мячом той же массы, летящим на скорости километр в секунду. После его попадания в неподвижную ракету массой 80 килограммов она полетит со скоростью 250 метров в секунду в попутном направлении, а мяч остановится.

Про скорость вращения Земли, причины ее изменения и что нам об этом известно
Визуализация неоднородно вращающегося земного ядра / ©John Vidale, Wei Wang, Edward Sotelo,

Гигантская слоистая не одинокая юла

Почему и в какую сторону протопланетный диск вращался изначально, рассматривать сейчас не будем. Главное, что формирующаяся Земля получала небольшой момент импульса от каждой песчинки, которая на нее падала, не говоря уже о более крупных объектах. Из-за этого она тоже начала вращаться, уже вокруг своей оси, и эта скорость плавно нарастала. После того как различные природные бомбардировки небесными телами закончились, скорость вращения нашей планеты должна была остаться неизменной.

Но Земля — не статичный монолитный объект. У нее есть ядро (с двумя областями разной плотности), мантия (тоже состоящая из двух слоев разной плотности) и кора. А на поверхности — гидросфера, то есть океаны, реки, озера и ледники. Еще выше — атмосфера. Каждая из этих сред постоянно трансформируется под действием самых разных физических процессов, от конвекции до гравитационного воздействия. Кстати о последнем: у Земли есть еще массивный естественный спутник — Луна.

Проще говоря, даже без учета внешних возмущений от других планет и Солнца вращаться с непрерывной угловой скоростью у Земли не получится. Выражается это в том, что продолжительность дня (обозначается LOD) постоянно уменьшается на длительных промежутках времени и колеблется на сравнительно коротких.

От чего зависит LOD

Любое перемещение масс по направлению к или от оси вращения планеты влияет на длительность дня. Обильные осадки ускоряют кручение Земли, активное испарение влаги в жаркие периоды — замедляет. Может показаться, что эти процессы должны уравновешивать друг друга, но происходит это лишь в долгосрочной перспективе. На масштабах дней и даже месяцев климатические процессы протекают в разных частях планеты с разной скоростью, а между полушариями есть отличия в проявлении сезонов. Частично это обусловлено наклоном Земной оси, частично — эллиптичностью ее орбиты вокруг Солнца (траектория не круговая, а овальная).

Наиболее влиятельных причин изменения скорости вращения нашей планеты сегодня две. Уже упомянутая выше Луна за счет гравитационного взаимодействия с Землей непрерывно «ворует» у нее угловой момент. Процесс этот медленный, но непрерывный, и «стоит» нам примерно 2,3 миллисекунды каждый век. Из-за этого, например, 600 миллионов лет назад LOD составляла всего 21 час. Причем существует хорошо обоснованная гипотеза, согласно которой такая длительность дня поддерживалась длительное время (весь докембрийский период) благодаря резонансным процессам в атмосфере и недрах планеты.

Наглядная демонстрация закона сохранения углового момента / ©Prof. Richard Pogge, The Ohio State University

Вторая причина — последствия таяния ледников примерно 15 тысяч лет назад — имеет обратный эффект и ускоряет вращение Земли. Колоссальные массы замерзшей воды стали жидкостью и равномерно распределились по гидросфере. А те участки поверхности, которые ранее несли на себе этот груз, начали подниматься без нагрузки. Процесс называется гляциоизостазия, и он продолжается до сих пор. В глобальном масштабе этот процесс проще всего представить как возвращение чуть сплюснутого мяча к шарообразной форме. Планета, конечно, не перестает быть геоидом (с «утолщением» ближе к экватору), но плотная земная кора становится немного ближе к оси вращения на всех широтах.

Помимо обмена импульсом и угловым моментом за изменение скорости вращения Земли также отвечает и обыкновенное трение. Если атмосфера движется преимущественно на восток, то она ускоряет планету, если на запад — замедляет.

…и как она колеблется

Учитывая столь значительное количество влияющих на длительность дня факторов, ее пертурбации разнообразны. За последний век в среднем LOD стала на 1,7 миллисекунды дольше. Разница с вышеупомянутым приливным торможением за счет Луны (2,3 миллисекунды) объясняется гляциостазией и прочими сравнительно краткосрочными или периодическими процессами.

Так, недавно появились результаты многолетних наблюдений за осцилляциями вращения земного ядра. Они происходят с периодом 5,8 года и в результате примерно каждые шесть лет длительность дня то увеличивается, то уменьшается на 0,2 секунды. Кроме того, в научной работе 2016 года ученые из Великобритании подвели итоги исторических данных о скорости вращения Земли. Им удалось выявить, как минимум, еще два цикла длительностью порядка 30 лет и около полутора тысячелетий. Их причины еще предстоит определить.

Отметим, что LOD в прошлом определяется с достаточно высокой точностью по свидетельствам затмений, а также ископаемым останкам тех видов флоры и фауны, чья жизнедеятельность строго зависит от суточных изменений освещенности.

Так мы подошли к вопросу исчисления времени. И косвенно — к возможным проблемам, связанным с некоторым ускорением вращения Земли в последние годы.

Такие разные секунды

С детства мы учимся воспринимать время как череду четких отрезков: 365 дней, 24 часа, 60 минут, 60 секунд. Получается всего 86 400 секунд в одних сутках. Вот только каждый четвертый февраль этот месяц получает «лишний» день — первое напоминание о том, что астрономический год не совпадает с календарным. Аналогичная ситуация обнаружилась на ежедневной основе: когда люди научились измерять время с высокой точностью, оказалось, что каждые сутки немного отличаются по длительности от предыдущих. Разница незаметна «невооруженному глазу», но она есть. Это не значит, что каждый день время течет немного по-разному, просто скорость вращения нашей планеты не постоянна.

Про скорость вращения Земли, причины ее изменения и что нам об этом известно
Международное бюро мер и весов (МБМВ) определило эталонную секунду в 1967 году «равной 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». На фото — сотрудники Национального института стандартов и технологий работают с NIST-F2, атомными часами с цезиевым фонтаном, которые служат основным стандартом времени и частоты в США / ©NIST

Уже к XIX веку неравномерность длительности солнечных суток стала очевидна астрономам. А с появлением атомных часов ее удалось измерить с беспрецедентной точностью. Международная служба вращения Земли наблюдает за фактической длительностью суток и на основе статистики делает предсказания, нужно ли в течение ближайших шести месяцев корректировать часы. Так может появиться високосная или дополнительная секунда, с помощью которой всемирное координированное время (UTC) согласуется со средним солнечным (UT1).

Эти два стандарта времени сложились исторически и применяются в разных сферах жизни. Большинство людей даже не задумываются, по какому из них живут. Однако когда требуется высокая точность измерений (например, научные цели, торговля, синхронизация данных), возникает проблема. Мы не можем изменять длительность «точной» секунды (определенной Международным бюро мер и весов, та, что в системе Си) в соответствии с колебаниями длительности дня. Значит, координированное время рано или поздно «разойдется» с наблюдаемым — солнечным.

Сами по себе дополнительные секунды координации уже представляют проблему — заранее запрограммировать их учет невозможно, ведь их вводят на основании текущих наблюдений за скоростью вращения Земли. Поэтому на масштабах всей планеты связанная с ними бюрократия и внедрение во все чувствительные к точности времени системы обходится дорого. Более того, до сих пор ни разу секунды не отнимали, только прибавляли. И предсказать эффекты, связанные с беспрецедентным вычитанем, не всегда возможно. Теоретически сложностей может и не быть, но гарантий никто не даст. Поэтому возможные проблемы, связанные с вычитанием високосной секунды, пугают.

Вместо заключения

Изменчивость скорости вращения Земли — процесс известный, активно изучаемый и в целом довольно понятный. К сожалению, этот вопрос напрямую связан с практической сферой человеческих жизней: измерением времени. Поэтому представляет не только академический интерес. В любом случае утверждение «ученые не знают, почему планета ускоряется» некорректно.

Наиболее вероятное объяснение июньской аномалии — явление под названием колебания Чандлера. Подробнее об этом мы узнаем по итогам XIX встречи Азиатско-Океанического общества наук о Земле (AOGS). В рамках мероприятия запланирована презентация еще не опубликованной работы, раскрывающей эту тему. Среди ее авторов, кстати говоря, наш соотечественник Леонид Зотов.

Про скорость вращения Земли, причины ее изменения и что нам об этом известно
После постройки крупнейшей в мире гидроэлектростанции «Три ущелья» (Китай) длительность дня увеличилась на 0,06 микросекунды из-за огромной массы водохранилища / ©Le Grand Portage

Научный метод не подразумевает абсолютного знания, следовательно ученые никогда ничего не могут знать наверняка. Да, что именно вызвало укорочение 29 июня 2022 года на 1,59 миллисекунды, пока не совсем ясно. Но существует несколько гипотез, способных эту аномалию объяснить, их нужно лишь проверить. Чем профильные исследователи по всему миру и занимаются. А если версия с колебаниями Чандлера получит подтверждение (или хотя бы веские аргументы в свою пользу), то и вычитать секунды не придется. Явление это цикличное и, судя по всему, в последние пару десятилетий попало в неустойчивый резонанс с другими процессами, из которого так же быстро выйдет, как вошло в него.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 12:38
Ольга Иванова

Американские исследователи узнали, что продолжительность жизни пенсионеров зависит не столько от наличия у них хронических заболеваний, сколько от таких простых факторов, как возможность ходить в магазин за продуктами, выполнять уборку в доме, показатели мелких частиц холестерина в крови и вредные привычки, которые они имели ранее.

8 часов назад
Сергей Васильев

Телескоп SOAR снял длинный хвост газа и пыли, образовавшийся в результате целенаправленного столкновения космического аппарата с Диморфом.

Вчера, 16:24
Михаил Орлов

Белки рыб, обитающих у дна океана под большим давлением, оказались защищены молекулами триметиламиноксида. Это соединение хорошо связывает воду и не позволяет биологическим молекулам терять правильную трехмерную форму и разрушаться.

1 октября
Сергей Васильев

Моделирование указало, как менялся путь формирования и распада суперконтинентов на протяжении истории Земли. Это позволило ученым предсказать, как и где образуется следующий из них, снова объединив практически всю сушу планеты.

Позавчера, 12:38
Ольга Иванова

Американские исследователи узнали, что продолжительность жизни пенсионеров зависит не столько от наличия у них хронических заболеваний, сколько от таких простых факторов, как возможность ходить в магазин за продуктами, выполнять уборку в доме, показатели мелких частиц холестерина в крови и вредные привычки, которые они имели ранее.

2 октября
Редакция

Итальянский ботаник Стефано Манкузо — о преимуществах естественных отношений и о том, что бывает, когда люди нарушают хрупкое равновесие между биологическими видами. Naked Science печатает отрывок из книги Манкузо La nazione delle piante («Нация растений»).

16 сентября
Алиса Гаджиева

Геродот в своей «Истории» утверждал, что блоки для пирамиды Хеопса и соседних пирамид доставляли по воде. Но сегодня от Нила до пирамид слишком далеко. Исследование кернов, взятых в пойме реки, позволило понять, как именно решался сложнейший вопрос транспортировки такого строительного материала.

15 сентября
Никита Логинов

Светодиоды потребляют намного меньше энергии, чем традиционные газоразрядные лампы, что должно сократить парниковые выбросы. Но при этом светодиодное освещение угрожает здоровью жителей и разрушает местные экосистемы в городах и селах.

6 сентября
Александр Березин

Нашей планете 4,5 миллиарда лет, и 539 миллионов лет на ней тянется эра «явной жизни» (фанерозой) — то есть такой, когда на планете есть крупные, высокоорганизованные животные. Сам собой возникает вопрос: быть может, среди них был разум?

[miniorange_social_login]

Комментарии

7 Комментариев

-
1
+
Гольфстрим — это, пожалуй, важнейшее для человечества океаническое течение планетарного масштаба. Оно несёт тёплые воды из западной экваториальной части Атлантического океана (т.е. к востоку от Центральной Америки) — к берегам аж Северной Европы вплоть до Белого моря. Несомое им тепло создаёт благоприятный для проживания людей климат во всех омываемых им странах, включая скандинавские. И — если бы Гольфстрим остановился, то климат во всей Северной Европе мог бы стать таким же, как, например, на Чукотке или на севере Восточной Сибири. И эта тема обсуждается на уровне правительств заинтересованных стран, в соответствующие исследования вовлечено немало учёных. Дискуссии на этот счёт активировались в связи с «модой» на тему «глобального потепления». Учёные замеряют солёность воды в разных частях Гольфстрима, фантазируют о том, что будет, если солёность воды снизится вследствие таяния льдов в Гренландии… И на эти исследования выделяются немалые финансовые средства заинтересованных государств… Хотя не уместно ли, чтобы хоть один из вовлечённых в эти дискуссии и исследования учёный задумался бы о том, почему вообще существует это океаническое течение? В чём причина его существования? Что заставляет колоссальные объёмы воды непрерывно перемещаться на многие тысячи километров? Ответ ведь — прост, но, чтобы его получить, надо оторвать взгляд от пробирок с образцами воды — на гораздо более масштабные глобальные явления и процессы! … Начнём с рассмотрения вопроса о том, почему наша планета вертится, задавая привычные для нас смены времени суток. Ведь она могла бы и не вертеться, как, наверное, не вертятся многие другие планеты. И тогда бы климат на Земле был бы совсем иной. Что же могло заставить её начать вертеться? Ясно, что то был наклонный удар по Земле весьма крупного космического тела. Но удар пришёлся по именно земной тверди, заставив её крутиться. А заметного воздействие того космического тела на малоплотную земную атмосферу не произошло, поэтому она так и осталась в состоянии своей инерции покоя. Итак — планета крутится, а её огромная атмосфера — нет. Так образовался дующий постоянно в экваториальном поясе Земли восточный ветер, именуемый пассатом. Итак, желательно уразуметь, что Земля крутится и трётся об относительно неподвижную атмосферу. Сейчас ведутся баталии о том, как нам быть в связи с «глобальным потеплением», которого, на самом-то деле, нет. Есть другое: локальные изменения климата в тех или иных участках поверхности Земли. Например, последняя зима на северо-западе России была самой тёплой за последние десятилетия. Но в Якутии становится всё холоднее и холоднее. В эту зиму температура там опускалась до минус 61 градуса по Цельсию! А ведь это — антарктическая температура! И зимнее похолодание здесь есть тенденция последних лет! Северный «полюс холода», как говорят специалисты, переместился из географически полярных широт — глубоко к югу! Да и в той же Антарктиде — где-то становится теплей, а в других частях континента — холодней… … В попытках придумать объяснение тотальным «ледниковым периодам» была выдвинута гипотеза о том, что их причина была в вулканической деятельности. Именно — мощнейшие извержения вулканов выбрасывали в атмосферу столько пепла, что он не пропускал к поверхности планеты солнечное тепло. Но это ведь не проверить на практике: то ли действительно при таких условиях наступит охлаждение поверхности Земли — то ли пепел в атмосфере вызовет «парниковый эффект» и, наоборот, разогрев? Ведь, если, например, небо ночью покрыто сплошной облачностью, то такие ночи оказываются значительно теплей, чем при ясном небе! Можно и дальше развивать эту мысль. Если атмосфера становится менее прозрачной, то солнечным теплом будет нагреваться весь конгломерат Земли с её атмосферой, причём пепел будет препятствовать рассеянию тепла вовне. В итоге — не охлаждение, а разогрев Земли? Но проверить эти гипотезы на практике — возможности нет. Поэтому лучше не тратить время на их дальнейшее обсуждение. Вопрос, который хотелось бы рассмотреть в связи с темой наблюдаемых на нашей планете климатических изменений, — это влияние ядерных взрывов. Ведь каждый такой мощный взрыв толкает планету. И из-за этого может меняться её траектория полёта вокруг Солнца, а также скорость и ось собственного вращения. Особенно сильно данный эффект может проявляться, если ядерные взрывы производить повторно на одних и тех же полигонах. И не являются ли наблюдаемые климатические изменения на планете следствием таких многократных ядерных испытаний?
    >Ведь она могла бы и не вертеться, как, наверное, не вертятся многие другие планеты Собственно говоря, на этом моменте можно ставить двойку по физике и дальше не обсуждать. Атмосфера Земли вращается вместе с планетой, иногда опережает (суперротация) иногда запаздывает в силу преимущественных направлений ветров в конкретное время. Если бы атмосфера "стояла", приповерхностный ее слой уже давно содрал бы все живое (полкилометра в секунду — угловая скорость вращения земли, это больше скорости звука). Заход про отсутствие глобального потепления показывает полное игнорирование огромного числа эмпирических данных (от археологических, до метеорологических). Зачем такое писать, ну вот честно, чтобы что? Для понимания ошибок этого комментария достаточно школьной программы физики. Если ее забыли — полчаса Википедии по ключевым понятиям
    +
      ещё комментарии
13.08.2022
-
0
+
Непонятно. Я подзабыл астрофизику. Луна удаляется от Земли на 4 сантиметра в год, что замедляет вращение Земли и сутки удлиняются. Я прочитал, что когда Луна покинет Землю, то сутки будут 8 часов, то есть есть точка минимума, когда при дальнейшем удалении Луны вращение Земли начнёт ускоряться, так как будут слабеть приливные силы. Может мы эту точку проходим сейчас?
    Луна удаляется ОЧЕНЬ медленно. Гравитационное взаимодействие ослабевает с незначительной скоростью и ещё не скоро перестанет тормозить Землю Кстати, именно это удаление и является следствием обмена импульсом. "Сворованный" угловой момент повышает энергетику орбиты Луны (увеличивает ее большую полуось)
    15.08.2022
    -
    0
    +
    Разве Луна покинет Землю? Вроде как её удаление со временем замедляется, и сутки земные тоже, если сравнивать на больших отрезках времени. Земля и луна в далёком будущем должны синхронизироваться - обе будут вращаться вокруг своей оси (а луна ещё и совершать оборот вокруг Земли) примерно 40 нынешних суток, если память мне не изменяет.
    +
      ещё комментарии
      Интуитивно кажется, что рано или поздно должна улететь. Но в орбитальной механике интуиция не работает почти никогда. Так что, может, и стабилизируется система. Надо поспрошать умных людей

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: