Удивительная Солнечная система

Громов Александр

В Луне. Удаляясь от Земли примерно на 3 см в год, она тормозит вращение Земли. «Из физики» совершенно ясно, что суммарная механическая энергия системы «Земля – Луна» должна оставаться постоянной. Переходя на более высокую орбиту, Луна увеличивает свою потенциальную энергию, а за счет чего? За счет увеличения орбитальной скорости. Ведь и конструкторам ракетно-космической техники приходится обеспечивать ракете-носителю большую скорость, если они хотят вывести спутник на более высокую орбиту. Экипажи космических станций используют для повышения орбиты разгонный импульс, а никак не тормозной. Увеличение орбитальной скорости любого объекта приводит к повышению его орбиты (где, кстати, скорость объекта сразу падает по законам Кеплера). Но за счет чего разгоняется Луна?

За счет приливов. Сила тяготения Луны

вызывает не только морские приливы; под ее действием вся Земля вытягивается наподобие яйца, пусть и на совсем небольшую величину, измеряемую десятками сантиметров. Такое перестроение в вязком теле не может быть мгновенным, а движение Луны сильно отстает от вращения Земли. Как следствие, приливной горб на земной поверхности не направлен точно к Луне, а опережает ее примерно на 3 ч. Сила тяготения, вызванная приливным горбом, разумеется, крайне мала, но зато действует она постоянно, передавая Луне чрезвычайно слабую, но все же заметную на больших интервалах времени силу, направленную в сторону ее движения. «Противосила» же тормозит вращение Земли, и так же неспешно. Например, на рубеже палеозоя – мезозоя, когда еще и динозавров-то не было, в земных сутках было 22 ч., а не 24, как сейчас. Постепенное замедление вращения Земли было доказано изучением линий роста палеозойских кораллов. Можно предположить, что в самый ранний период истории Земли сутки продолжались лишь 4 ч. В нашу эпоху продолжительность суток увеличивается в среднем на 0,0017 с за столетие.

На скорость вращения Земли оказывает влияние не только Луна. Существуют и более слабые солнечные приливы, также тормозящие вращение нашей планеты. Есть и чисто земные причины, влияющие на вращение Земли.

Гравитационная дифференциация недр – одна из них. При опускании тяжелых элементов в земное ядро по закону сохранения момента количества движения должно происходить ускорение вращения – однако оно с большой лихвой компенсируется влиянием Луны и Солнца. Хотя, впрочем, явления типа отламывания больших кусков океанических плит при их погружении под материковые плиты, сопровождающиеся глубокофокусными землетрясениями, сопровождаются также скачкообразным изменением длительности суток, которое легко можно измерить.

Кстати, теория дает несколько большее значение векового замедления: 0,0023 с за столетие. Есть предположение, что разницу в 6 мс за столетие следует отнести за счет перераспределения масс внутри Земли в меридиональном направлении, однако для проверки этой гипотезы необходимы длительные исследования.

Скорость вращения Земли испытывает также периодические и нерегулярные колебания. Причина периодических колебаний, вызванных космическими причинами, в целом понятна: и Земля, и Луна движутся по эллиптическим орбитам, вследствие чего приливные силы то немного ослабевают, то вновь усиливаются. Так, например, существуют колебания с периодом 27,3 суток (период обращения Луны) и 13,7 суток (полумесячные колебания). То же и с системой «Земля – Солнце», только с меньшей амплитудой. Землетрясения, нарушения привычной картины морских течений (вроде квазипериодической активности течения Эль-Ниньо) и даже сезонные перемещения воздушных масс и изменения снежного покрова приводят к небольшим, но вполне поддающимся измерению вариациям скорости вращения нашей планеты.

Иногда, правда, случаются и необъяснимые скачкообразные изменения скорости вращения Земли, но всегда на очень маленькую величину. С чем они связаны, покажут будущие исследования.

Ну а что же с осью вращения? Автору не раз приходилось с изумлением узнавать из «научно-популярных» телепередач о возможности (и даже чуть ли не неизбежности) резкого – на десятки градусов – изменения положения географических полюсов планеты. Земля вдруг ни с того ни с сего начнет вращаться вокруг иной оси – и всем живущим на нашей планете придется весьма несладко. Самое странное то, что этот болезненный бред подчас повторяется людьми, изучавшими физику не только в школе, но и в вузе.

Так и хочется повторить вслед за чеховским персонажем: «Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда». Лишь масштабная космическая катастрофа вроде столкновения Земли с телом сравнимых размеров может резко сдвинуть ось вращения планеты, но при такой катастрофе сдвиг оси – это последнее, от чего может погибнуть

человеческая цивилизация. Она погибнет от других причин. Но главное – в обозримом космосе нет достаточно крупных тел, способных столкнуться с Землей и натворить подобных бед. А если такие тела где-нибудь и существуют (например, в поясе Койпера), то они не имеют вредной привычки нарочно искать столкновения с Землей. Ось вращения Земли не менялась рывком никогда, исключая, может быть, гипотетическое столкновение с планетоидом, породившее Луну, и не изменится.

А вот медленный дрейф земной оси действительно происходит. Никакими жуткими катаклизмами он нам не грозит, ибо все живые существа, начиная с примитивных простейших архея и кончая нами, преспокойно живут с этим дрейфом, совершенно не замечая его. Речь идет о прецессии и нутации.

Вам случалось в детстве запускать волчок, причем не тот, что прикреплен осью к основанию, а тот, который свободно бегает по полу? Если да, то вы наверняка заметили, что ось вращения волчка испытывает движения по окружности, гораздо более медленные, чем вращение самого волчка. Такое вращение оси называется прецессией. Формулы, описывающие прецессию, довольно громоздки, но можно объяснить и «на пальцах»: прецессия тем сильнее, чем менее симметрично вращающееся тело или чем значительнее какая-либо сила, действующая на тело со стороны. Поскольку абсолютно строгой симметрии не существует, как не существует вообще ничего абсолютного, все вращающиеся тела, даже гироскопы, изготавливающиеся особо тщательно, испытывают прецессию. Земля несколько асимметрична как по форме, так и по распределению плотности в ее недрах. Вдобавок она в целом представляет собой сплюснутый сфероид, а ее ось наклонена к эклиптике. Луна своим притяжением стремится развернуть Землю «экватором к себе». То же самое, только слабее, делает Солнце. В сумме эти причины более чем достаточны для прецессии оси вращения Земли.

В результате ось вращения Земли описывает конус, вершина которого находится в центре Земли, а ось перпендикулярна эклиптике. При этом угол наклона земной оси к эклиптике остается постоянным и равен 63° 34”. Сейчас северный полюс мира находится вблизи Полярной звезды, но не точно совпадает с ней, что хорошо знают любители астрономии, вынужденные «выставлять на полюс» полярные оси своих монтировок. Для противоположного полушария роль «полярной» может играть невзрачная звезда Сигма Октанта. 3000 лет назад северный полюс мира находился близ «ковша» Малой Медведицы (а не близ крайней звезды «ручки», как сейчас), а спустя 12 тыс. лет роль Полярной звезды с успехом сможет выполнить Вега (Альфа Лиры). Вообще же полный оборот ось вращения Земли совершает примерно за 26 тыс. лет.

Помимо прецессии имеют место мелкие – порядка нескольких угловых секунд – колебания оси вращения Земли около среднего положения. Такие колебания называются нутацией и вызываются тем, что прецессионные силы все время меняются как по величине, так и по направлению. Они уменьшаются, когда Солнце и Луна находятся близ плоскости земного экватора, и вновь увеличиваются, когда склонения этих небесных тел имеют наибольшую величину.

И это еще не все: имеют место блуждающие движения земных полюсов, вызванные тем, что само тело Земли смещается относительно оси вращения. Движения эти ничтожны по величине и не идут ни в какое сравнение с выдуманными «резкими изменениями наклона земной оси». Оба полюса Земли плавно перемещаются, описывая грубые окружности того или иного радиуса, но никогда не покидая условного квадрата со сторонами около 30 м. В квазипериодическом характере движения полюсов выделяются 12-месячный и 14-месячный периоды.

Следующее движение, в котором участвует Земля, это движение вокруг общего центра масс с Луной. Строго говоря, неверно утверждать, что Луна обращается вокруг Земли, – корректнее говорить, что оба тела обращаются вокруг общего центра масс, делая полный оборот за 27,32 суток. Поскольку Земля массивнее Луны примерно в 81 раз, центр масс системы «Земля – Луна» находится под земной поверхностью на расстоянии 4672 км от центра Земли по направлению к Луне. В своем движении по орбите вокруг Солнца Земля описывает отчетливо волнообразную кривую, хотя, конечно, эта волнообразность имеет гораздо меньшую амплитуду, чем у Луны.