В конце июля многие средства массовой информации распространили сообщения с заголовками вроде «Земля ускорила вращение — и ученые не могут объяснить причину». К началу второй недели августа эта тема дошла и до русскоязычного интернет-сообщества. Оказалось, что этот повод для новостей, хоть и не повлек негативных последствий, иллюстрирует главные недостатки современной (и не только научно-популярной) журналистики. Мы объясним, как на самом деле меняется скорость вращения нашей планеты, насколько хорошо изучены причины таких колебаний, и почему ученые никогда не могут быть уверены в чем-либо (что является вполне нормальным явлением).
Международная служба вращения Земли (МСВЗ, IERS), система, отвечающая за мониторинг вращения Земли, зафиксировала 29 июня как самый короткий день за период наблюдений. Отклонение от стандартной продолжительности в 24 часа составило 1,59 миллисекунды. Поскольку анализ данных требует времени, результаты стали доступны только в конце июля. Определение причин этой аномалии с достаточной точностью пока не представляется возможным, и, скорее всего, это произойдет не ранее следующего года. Несмотря на это, первые обоснованные предположения уже существуют. Однако СМИ активно осветили этот инцидент, преувеличивая его значимость.
Установить последовательность событий и определить, кто инициировал серию эмоциональных публикаций, оказалось непростой задачей. IERS пока не предоставила соответствующий отчет на своем сайте, а пресс-релизы получают различные издания. Первоначально новость распространили опубликовал портал TimeAndDate. Следует признать, что коллеги не прибегали к кликбейту, а подробно изложили ключевые факторы, влияющие на колебания скорости вращения Земли. Тем не менее, авторам не удалось полностью избежать излишней драматизации: даже незначительное отклонение (всего 1,59 миллисекунды) длительности 29 июня от стандартной продолжительности дня было представлено как потенциальный повод для «високосную» секунду в будущем. А такая мера угрожает серьезными проблемами с компьютерными системами по всему миру.
Вероятно, неясность в причинах изменения скорости вращения Земли, страшилка про очередную « проблему 2000 года» и легкий налет апокалиптичности привлек внимание журналистов других изданий. Начиная с последних дней июля, публикации с заголовками разной степени сенсационности стали появляться одна за другой. От «таинственного» ускорения земного вращения в Vice Motherboard до «катастрофических» последствий этого явления по версии Independent. Действительно, можно встретить и более неправдоподобные заголовки по этой теме, однако даже достаточно известные издания смогли нас удивить — к счастью, в самих материалах ситуация описана более-менее точно. Больше всего, однако, огорчило множество русскоязычных СМИ, которые практически единообразно представили новость так, будто причины самого короткого дня неизвестны никому.
Небольшая физическая справка
Для лучшего понимания физических процессов, которые будут описаны ниже, необходимо учитывать два закона сохранения: импульса и углового момента (они содержат больше данных, графиков и иллюстраций: 1, 2, импульс определяется как произведение массы на скорость и представляет собой меру движения тела (важно: это векторная величина). Момент импульса, также известный как угловой момент, является аналогичной характеристикой, описывающей вращательные тела и системы. Законы сохранения утверждают, что в замкнутой системе суммарные значения всех импульсов (и угловых моментов для вращающихся тел) остаются постоянными. При столкновении двух тел происходит перераспределение их импульсов, однако векторная сумма сохраняется.
Для демонстрации закона сохранения импульса часто используют следующий пример: ракета массой 100 килограммов (вместе с топливом) выбрасывает из двигателя 20 килограммов топлива со скоростью 1000 метров в секунду в вакууме. В результате ракета начинает двигаться в противоположную сторону со скоростью 250 метров в секунду (20 × 1000 = 80 × 250). В реальных условиях для расчетов требуется более сложная формула ( Циолковского), принимающая во внимание эффективность двигателей и постепенное изменение массы ракеты в процессе расхода топлива, однако даже этот упрощенный пример достаточно иллюстративен. Механика практически не претерпевает изменений при столкновении двух тел. Если не учитывать вопросы деформации, то 20 килограммов топлива можно представить как шар той же массы, движущийся на скорости километр в секунду. После столкновения с неподвижной ракетой массой 80 килограммов, она начнет движение со скоростью 250 метров в секунду в попутном направлении, а шар остановится.
Гигантская слоистая не одинокая юла
Изначальное направление и причины вращения протопланетного диска мы сейчас не обсуждаем. Важно отметить, что формирующаяся Земля получала незначительный момент импульса от каждой частицы, падающей на неё, не говоря уже о более крупных телах. В результате она также начала вращаться вокруг своей оси, и эта скорость постепенно увеличивалась. После завершения многочисленных космических бомбардировок скорость вращения нашей планеты должна была стабилизироваться.
Земля – это не неподвижный, однородный объект. Она состоит из ядра (имеющего две зоны с разной плотностью), мантии (тоже состоящей из двух слоев различной плотности) и коры. На ее поверхности располагаются гидросфера, включающая океаны, реки, озера и ледники, а над ними – атмосфера. Каждая из этих оболочек непрерывно изменяется под воздействием разнообразных физических процессов, таких как конвекция и гравитационное воздействие. К слову о последнем: у Земли есть также крупный естественный спутник – Луна.
Даже без влияния внешних факторов, таких как гравитационное воздействие других планет и Солнца, Земле не удастся поддерживать постоянную скорость вращения. Это означает, что продолжительность дня (обозначается LOD) в течение продолжительного периода времени наблюдается устойчивый рост, прерываемый кратковременными колебаниями.
От чего зависит LOD…
Изменение скорости вращения Земли, то есть длительности дня, происходит под воздействием любых перемещений массы в направлении к оси вращения или от нее. Увеличение количества осадков приводит к ускорению вращения планеты, а интенсивное испарение влаги в жаркое время года — к его замедлению. Хотя эти явления, казалось бы, должны компенсировать друг друга, на практике это происходит только в долгосрочной перспективе. На промежуточных временных масштабах, таких как дни и месяцы, климатические процессы в различных частях планеты протекают с разной скоростью, и наблюдаются различия в проявлении сезонов между полушариями. Это частично связано с наклоном оси вращения Земли, частично — с тем, что ее орбита вокруг Солнца имеет эллиптическую форму (то есть не является круговой, а представляет собой овал).
Две основные причины изменения скорости вращения Земли в настоящее время – это, во-первых, Луна, которая посредством гравитационного взаимодействия постоянно отнимает у нашей планеты угловой момент. Этот процесс идет медленно, но непрерывно, и приводит к замедлению вращения примерно на 2,3 миллисекунды за столетие. В связи с этим, 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.
Вторая причина, связанная с последствиями таяния ледников около 15 тысяч лет назад, оказывает противоположное воздействие и способствует ускорению вращения Земли. Огромные объемы замерзшей воды перешли в жидкое состояние и равномерно распределились в гидросфере. В свою очередь, участки земной поверхности, ранее удерживавшие этот вес, начали подниматься, освободившись от нагрузки. Этот процесс называется гляциоизостазия, этот процесс продолжается и в настоящее время. В глобальном масштабе его можно описать как возвращение слегка сплюснутого мяча к форме шара. Планета, разумеется, не перестает быть геоидом (сохраняя «утолщение» в области экватора), однако плотная земная кора постепенно приближается к оси вращения на всех широтах.
Обыкновенное трение также влияет на изменение скорости вращения Земли, помимо обмена импульсом и угловым моментом. Движение атмосферы в восточном направлении ускоряет планету, а движение на запад – замедляет е.
…и как она колеблется
В связи с множеством факторов, влияющих на продолжительность дня, ее колебания весьма разнообразны. За прошедший 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.
В связи с этим рассмотрим вопрос исчисления времени и, косвенно, возможные проблемы, обусловленные некоторым ускорением вращения Земли, зафиксированным в последние годы.
Такие разные секунды
С раннего детства нас приучают воспринимать время как последовательность определенных промежутков: 365 дней, 24 часа, 60 минут, 60 секунд. В сумме это составляет 86 400 секунд в течение суток. Однако каждый четвертый февраль этот месяц обретает «дополнительный» день — первое свидетельство того, что астрономический год не соответствует календарному. Подобная расхожесть проявилась и в повседневной жизни: когда люди научились измерять время с высокой точностью, выяснилось, что продолжительность суток незначительно варьируется от дня к дню. Эта разница не видна невооруженным зрением, но она существует. Это не указывает на то, что течение времени отличается каждый день, просто скорость вращения Земли не является постоянной.
К XIX веку астрономам стало ясно, что длительность солнечных суток меняется не равномерно. С появлением атомных часов появилась возможность измерять это изменение с невиданной ранее точностью. Международная служба вращения Земли отслеживает фактическую длительность суток и, основываясь на статистических данных, определяет, потребуется ли корректировка времени в течение следующих шести месяцев. В результате может быть добавлена високосная или дополнительная секунда, чтобы синхронизировать всемирное координированное время ( UTC) согласуется со средним солнечным (UT1).
Эти два стандарта времени сформировались в процессе исторического развития и используются в различных областях. Люди обычно не обращают внимания на то, какой из них используется. Однако, когда необходимы измерения высокой точности (например, в научных исследованиях, торговле или при синхронизации данных), возникает сложность. Невозможно изменить продолжительность «точной» секунды, установленной Международным бюро мер и весов (основанной на системе SI), чтобы она соответствовала изменениям в длительности дня. Следовательно, координированное время со временем неизбежно отклонится от среднего солнечного времени.
Дополнительные секунды координации сами по себе создают трудности, поскольку их учет невозможно запрограммировать заранее, так как они вводятся на основе текущих наблюдений за скоростью вращения Земли. Внедрение этих секунд во все системы, чувствительные к точности времени, и связанная с этим бюрократия обходятся дорого, особенно в масштабах всей планеты. При этом ранее секунды всегда добавлялись, а не вычитались. Поэтому предсказать последствия, связанные с беспрецедентным вычитанием, не всегда представляется возможным. Хотя теоретически сложностей может и не возникнуть, никаких гарантий никто не дает. Именно поэтому потенциальные проблемы, сопряженные с вычитанием високосной секунды, вызывают опасения.
Вместо заключения
Известно, что скорость вращения Земли не постоянна, этот процесс активно изучается и в целом достаточно понятен. Однако этот вопрос имеет прямое отношение к практической деятельности человека, в частности, к измерению времени, поэтому он представляет не только научный, но и прикладной интерес. Тем не менее, утверждение о том, что ученые не знают, почему планета ускоряется, является неверным.
Наиболее вероятной причиной июньской аномалии является явление, известное как колебания Чандлера. Подробнее об этом станет известно по результатам XIX встречи Азиатско-Океанического общества наук о Земле ( AOGS). В ходе мероприятия будет представлена новая работа, посвященная данной теме. Среди ее авторов — наш соотечественник Леонид Зотов.
Научный метод не гарантирует достижения абсолютной достоверности, поэтому ученые не могут быть уверены в своих выводах. Причина укорочения времени 29 июня 2022 года на 1,59 миллисекунды до сих пор не установлена окончательно. Однако, существует несколько гипотез, которые могут объяснить эту аномалию, и их требуется экспериментальная проверка. Именно этим и занимаются исследователи во всем мире. Если подтвердится версия, связанная с колебаниями Чандлера (или хотя бы будут представлены убедительные аргументы в ее поддержку), то необходимость вычитания секунд не возникнет. Это цикличное явление, и, по всей видимости, в последние десятилетия оно оказалось в неустойчивом резонансе с другими процессами, из которого так же быстро выйдет, как и вошло в него.