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

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).

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.

Анимация из кадров, сделанных аппаратом «Электро-Л №2» (GOMS-3) / ©«Роскосмос», Научный Центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ)

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.

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.

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.

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.