Наши дни стали короче: почему в сутках 24 часа?
Мы привыкли, что в сутках 24 часа, но оказывается, их могло бы быть 65, и только представьте, сколько всего можно было бы успеть! Всему виной Солнце, которое соперничает с Луной. Впрочем, это еще не худший вариант — когда-то продолжительность дня на Земле и вовсе составляла около 10 часов. Рассказываем, из-за чего изменяется скорость вращения нашей планеты, а также почему ученые никогда ничего не знают наверняка и это нормально.
Когда около 4,5 миллиарда лет назад из облака пыли и газа образовалась Луна, она была намного ближе к Земле, чем сейчас, наша планета вращалась быстрее, и день на ней был значительно короче. С тех пор спутник планомерно отдалялся от планеты, изменяя ее угол наклона, и как следствие — скорость вращения. Так, еще 1,5 млрд лет назад протяженность земных суток составляла всего 18 часов, и в году тогда было 372 дня, а не 365.
Этот ретрорефлектор был оставлен на Луне астронавтами миссии Аполлон-11, чтобы точно измерить расстояние от Земли до Луны
Фото: NASA / NASA Apollo Archive / PD
Соответствующее исследование было опубликовано в журнале Science, и ученые даже вычислили скорость лунного отдаления — для этого они использовали лазерные отражатели, оставленные на Луне астронавтами программы «Аполлон».
Оказалось, что каждый год Луна отстраняется на 3,78 см. Следующие подсчеты показали, что если эти данные верны, наша планета должна была замедлиться до такой степени, что сутки стали бы длиться больше 60 часов. Так почему этого не произошло?
Лунные и солнечные приливы
Астрономы из Университета Торонто и Университета Бордо во главе с Ханбо Ву из Торонто нашли ответ на этот вопрос. Дело в том, что Земля крутится вокруг своей оси быстрее, чем Луна вокруг планеты. Гравитация спутника тормозит «хозяйку», замедляя ее на несколько миллисекунд каждое столетие.
Полный оборот вокруг своей оси Луна совершает примерно за 27 дней, соответственно, лунный день — 13,5 земных суток
Изображение: usagif
Объясняем, как это работает. Это связано с атмосферными тепловыми приливами, исходящими от Солнца, и гравитационными приливами — от Луны. Как известно, благодаря нашему спутнику на планете происходят приливы и отливы океанов. Еще Иммануил Кант считал, что вращение Земли должно замедляться под их действием.
Схема возникновения приливных сил Луны
Изображение: Алексей Левин / «Популярная механика» №2, 2011 / «Элементы»
При этом Луна притягивает к себе также экваториальные области, поскольку они находятся ближе к ней, чем верх и низ (полярные регионы). Под воздействием этих сил планета (по крайней мере, подвижная часть ее оболочки в лице океанов) стремится принять форму эллипсоида. Из-за этого возникают две выпуклости (их называют приливными горбами) на противоположных сторонах земного шара: одна обращена к Луне, другая — от нее. Чем больше масса океанской приливной выпуклости, тем сильнее гравитация спутника притягивает ее. В сочетании с эффектом трения между океанскими приливами и морским дном этот процесс замедляет вращение Земли примерно на 1,7 миллисекунды каждое столетие.
Но на Землю действует не только ее спутник, но и Солнце. Оно находится в 400 раз дальше от нас, чем Луна, но в 27 млн раз больше ее. Хотя гравитационный приливный эффект от Солнца примерно вполовину слабее, чем от Луны, этого оказывается достаточно, чтобы противостоять лунным приливам. Температура атмосферы определяет скорость тепловых волн, и по мере того, как атмосфера нагревается, она набухает, создавая выпуклость другого типа. «Солнечный свет создает атмосферный прилив с такими же типами выпуклостей, — говорит Норман Мюррей из Канадского института теоретической астрофизики при Университете Торонто. — Гравитация Солнца притягивает эти атмосферные выпуклости, но вместо того, чтобы замедлять вращение Земли, как это делает ее спутник, оно ускоряет его». Отсюда рождается вечный спор Солнца и Луны за нашу планету.
Войти в резонанс
На протяжении большей части истории Земли лунные приливы были в 10 раз сильнее, чем тепловые, поэтому вращение планеты замедлялось. Однако, основываясь на моделях глобальной атмосферной циркуляции и геологических данных, ученые выяснили, что эта тенденция изменилась в промежутке между 2,2 млрд и 600 млн лет назад. По мере нагревания атмосферы (о чем свидетельствует отсутствие оледенения в этот период) тепловые приливы становились все больше, пока не вошли в резонансную частоту с вращением Земли. Резонанс — это своего рода усиление. Представьте ребенка на качелях: если подтолкнуть его в нужное время, он раскачается быстрее и выше. Нечто подобное происходит и здесь.
Итак, около 2,2 млрд лет назад тепловые приливы начали проходить вокруг Земли за 10 часов, а продолжительность земных суток составляла 19,5 часа. То есть они происходили дважды за каждый оборот планеты вокруг своей оси, что соответствует резонансу 2:1. Этот резонанс лишь усилил тепловые приливы, так что атмосферная выпуклость увеличилась, а притяжение Солнца стало достаточно значительным, чтобы соперничать с притяжением Луны. Замедление Земли, которое происходило благодаря лунным приливам, уравновесилось ускорением, вызванным тепловым солнечным приливом. В течение этого длительного периода времени между 2,2 млрд лет и 600 млн лет назад продолжительность дня на планете больше не замедлялась, а оставалась на уровне 19,5 часа.
В конце концов две приливные силы разошлись, и за последние 600 млн лет вращение Земли снова начало замедляться. Сегодня продолжительность дня составляет 24 часа, а тепловые приливы совершают путешествие вокруг планеты за 22,8 часа.
И все-таки станет ли день длиннее?
Строить прогнозы сложно. Хотя описанные изменения происходили в течение миллионов лет, Земля может ускориться мгновенно — даже землетрясения и ураганы играют свою роль. Например, считается, что Великое землетрясение Тохоку в 2011 году в Японии с магнитудой 8,9 ускорило вращение планеты на относительно крошечные, но все-таки показательные 1,8 микросекунды.
Изображение: Barkov / 99px
А 29 июня 2022 года наша планета вообще поставила рекорд скорости вращения: сутки оказались короче эталонных на 1,6 миллисекунды. С 1962 года, когда время стали измерять с помощью атомных часов, дней короче не было. Геофизики говорят, что вращаться быстрее Земля начала еще в 2016 году, и не исключено, что длина какого-то из дней следующего лета окажется еще меньше. До сих пор неясно, почему планета перешла на турборежим.
Ученые надеются, что со временем сумеют найти механизм, который может внезапно раскрутить Землю. Хотя это очень малые колебания — миллисекунды в сутки, — но это сигнал о том, что есть какие-то процессы в ближнем космосе, в оболочках планеты и ее недрах, о которых люди пока не знают.
