Почему земля вертится вокруг своей оси: «Почему Земля вращается вокруг своей оси?» — Яндекс Кью

Содержание

«Почему Земля вращается вокруг своей оси?» — Яндекс Кью

Почему Земля вращается неравномерно и как это влияет на счет времени

Леонид Зотов, Кристиан Бизуар
«Природа» №3, 2021

Об авторах

Леонид Валентинович Зотов — доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П.

К. Штернберга Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова; доцент Московского института электроники и математики имени А. Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики». Область научных интересов — вращение Земли, гравитационное поле, климатические изменения.

Кристиан Бизуар (Christian Bizouard) — доктор астрономии, профессор, директор Центра ориентации и параметров вращения Земли Международной службы вращения Земли и систем отсчета Парижской обсерватории. Занимается изучением вращения Земли, движения полюсов, прецессии, нутации и геофизических возбуждений.

Сутки на Земле состоят из 86 400 секунд. Для точного счета используют шкалу UTC (

Coordinated Universal Time) всемирного координированного времени, которая определяется по показаниям атомных часов, установленных в разных точках планеты. Счет атомного времени ведут с 1970-х годов, когда Генеральная ассамблея по мерам и весам постановила: «Секунда времени равна 9 192 631 770 периодам излучения атома цезия-133 при переходах между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния».

В России этим занимается Главный метрологический центр Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли — отделение Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений под Москвой. По его показаниям осуществляется настройка главных часов страны — кремлевских курантов. Переход от астрономического счета времени к атомному времени потребовался, когда стало понятно, что вращение Земли не идеально [1].

О возможных изменениях скорости вращения Земли задумывался еще И. Кант. Он писал о том, что Земля должна замедляться под действием приливов, в своей работе «Исследование вопроса, претерпела ли Земля в своем вращении вокруг оси, благодаря которому происходит смена дня и ночи, некоторые изменения со времени своего возникновения» (1754). Кант утверждал, что «когда планета содержит в себе значительное количество жидкого вещества, совместное притяжение Луны и Солнца, приводя в движение эту жидкую материю, сообщает Земле некоторую долю этого колебания». В XVIII в. подтвердить теорию Канта было невозможно — не было столь точных приборов. Тем не менее, его идеи нашли развитие в работах последователей, например П.-С. Лапласа.

В XX в. точность астрономических приборов возросла, появились средства космической геодезии, такие как GPS (Global Positioning System), ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система), РСДБ (Радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами), DORIS (

Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite), изобрели кварцевые, а потом и атомные часы, и стало возможным зарегистрировать все неоднородности во вращении планеты с точностью до десятых долей миллисекунд. Как и говорил Лаплас, под действием перераспределений масс океана и атмосферы, а также приливов, происходит изменение продолжительности земных суток на несколько тысячных долей секунды. Продолжительность суток (по-английски length of day — LOD) уменьшается с ускорением вращения Земли (рис. 1).

Часть изменчивости можно объяснить зональными лунно-солнечными приливами. Особенно стоит отметить 18,6-летний цикл, связанный с прецессией лунной орбиты. Он хорошо заметен по огибающей амплитуды приливов на оранжевом графике. Под влиянием приливов экваториальное сжатие Земли то увеличивается, то уменьшается, при этом она либо замедляется, либо ускоряется. Приливные колебания происходят с периодами 5–9 дней, две недели, месяц и более (рис. 2). Как отмечает метеоролог Н. С. Сидоренков, на максимумы и минимумы приливных изменений LOD зачастую приходятся резкие перепады в погодных явлениях [2].

Колебания, связанные с приливами, довольно регулярны. Однако далеко не вся изменчивость скорости вращения планеты обусловлена ими. Внутригодовая изменчивость связана с атмосферой [3]. В течение года зональные ветра в атмосфере и распределение давления меняются. Если на планете усиливаются западные ветра, то атмосфера, вращаясь быстрее, отбирает часть вращательного момента у твердой Земли. Вследствие атмосферного цикла Земля имеет самую медленную скорость вращения примерно 1 мая и 7 декабря. А вот 4 августа сутки становятся на миллисекунду короче, поскольку Земля немного ускоряется. Еще есть незначительное ускорение вращения в районе 27 февраля, но оно несравнимо с августовским.

Одной из важнейших климатических осцилляций на планете является Эль-Ниньо — Южное Колебание (ЭНЮК), возникающее в экваториальной части Тихого океана каждые 2–7 лет. В ходе положительной фазы этого явления из-за разности давлений западные ветра усиливаются, восточная часть океана нагревается, термоклин выравнивается. При этом длительность суток может увеличиться на миллисекунду (см. рис. 1). Противоположная фаза ЭНЮК называется Ла-Нинья; она имела место, к примеру, в 2020 г. Эти явления изучаются в Институте природно-технических систем в Севастополе [4].

Обратимся к более длительным наблюдениям LOD (рис. 3). Ранние данные (XIX в.) не слишком точны — они были получены по наблюдениям за движением Луны и за покрытием ею звезд. Видно, что на вековых интервалах, как и предвидел Кант, Земля замедляется, и длительность суток увеличивается примерно на 1,2 мс за 100 лет. Этот эффект связан с торможением Земли под действием лунных и солнечных приливов. Раньше Земля вращалась быстрее. Несколько сотен миллионов лет назад в году было не 365 дней, а, скажем, 400, т.е. в сутках было меньше 22 часов. Перемещаясь с востока на запад вслед за видимым движением Луны и Солнца, приливные волны немного отстают из-за трения, тормозят вращение Земли и удлиняют сутки. Приливы, которые вызывает Луна на Земле, по закону сохранения углового момента заставляют Луну удаляться примерно на 4 см в год.

Особенно интересна многолетняя изменчивость LOD. На циклы с периодами в несколько десятилетий влияют процессы в океане и недрах Земли. Так, для нас оказалось неожиданностью, что после 2016 г. Земля стала ускоряться, и кривая LOD резко пошла вниз. В 2020 г. мы наблюдали экстремально быстрое вращение Земли. Можно сказать, что земные сутки приблизились к самым коротким по продолжительности из наблюдавшихся в последние 50 лет (см. рис. 1, красные стрелки). Это может привести к необходимости вычесть секунду из шкалы времени UTC.

Ранее секунду неоднократно добавляли к шкале всемирного координированного времени UTC, последний раз это делали в новогоднюю ночь с 2016 на 2017 г. Атомная шкала UTC устроена так, что ее подправляют, как только разногласие между нею и шкалой вращения Земли UT1^** приближается к пороговому значению в 0,9 с. С ноября 2018 г., впервые за многие годы, разногласие стало отрицательным и приблизилось в начале 2021 г. к −0,2 с. Раз в полгода директор Центра ориентации и параметров вращения Земли Международной службы вращения Земли и систем отсчета в Парижской обсерватории (в настоящее время эту должность занимает один из авторов статьи, К. Бизуар) подписывает бюллетень, где говорится, появится в грядущем полугодии дополнительная секунда или нет. На сайте Международной службы вращения Земли и систем отсчета представлен график, из которого следует, что с 2016 г. LOD в среднем уменьшалась на 0,3 мс/год и в начале 2021 г. достигла рекордного минимума в −1,5 мс (см. рис. 1). В настоящее время, из-за начавшегося в 2016 г. ускорения, секунда вращения Земли на 10⁻⁹ с короче секунды, утвержденной в 1970-е годы в системе СИ. Время по шкале вращения Земли UT1 идет быстрее, чем время UTC, которое является основой юридического времени во всем мире. Даже если продолжительность суток стабилизируется на текущем уровне, расхождение UT1 — UTC достигнет 1 с через 30 лет. Поскольку Земля продолжает ускоряться, ожидается, что эта разница будет достигнута за 5 лет. Прогноз показывает, что расхождение UT1 — UTC может оказаться отрицательным и превысить международный стандарт |UT1 — UTC| < 0,9 с в 2026 г. Возможно, впервые в истории придется «подкрутить» UTC на одну секунду назад.

Вернемся к вопросу о многолетних колебаниях. То, что происходит с длительностью суток на периодах 20 лет, 60 лет, не поддается окончательному объяснению. Многолетние колебания с амплитудами порядка 2–3 мс происходят синхронно с колебаниями климата [5, 6]. Считается, что эти изменения LOD вызваны процессами в недрах Земли, но причем здесь глобальная температура на поверхности?

График ускорения и замедления вращения Земли (см. рис. 3) напоминает плавные волны: например, в 1930-е годы Земля ускорилась и длительность суток уменьшилась, а температура на Земле немного возросла (на 0,3°). Потом Земля замедлялась вплоть до 1970-х годов, далее стала разгоняться. В 2005 г. что-то произошло, и Земля снова начала замедлять свое вращение, а в 2016-м, после сильного Эль-Ниньо, ускорилась. Вопрос, исследуемый одним из авторов этой статьи (Л. В. Зотовым): могут ли изменения скорости вращения Земли быть связаны с изменениями климата [7]. Подмечено, что, когда Земля ускоряется, потепление усиливается, и наоборот. Колебания температуры на Земле с периодом около 60 лет связывают с Атлантической многолетней осцилляцией. На 2020 г. не только пришелся максимум температуры и скорости вращения Земли, но и чандлеровское колебание полюса практически сошло на нет. Насколько случайно такое совпадение, не пошла ли энергия, поддерживающая его, на ускорение вращения Земли, еще предстоит выяснить. В рамках GGOS (Global Geodetic Observing System — Глобальная геодезическая система наблюдений) уже создана международная комиссия по вопросам климатических сигналов во вращении Земли, в которую входят и авторы этой статьи.

Литература
1. Bizouard C. Geophysical Modelling of the Polar Motion // De Gruyter Studies in Mathematical Physics, 31. 2020. DOI: 10.1515/9783110298093.
2. Сидоренков Н. С., Чазов В. В., Зотов Л. В., Вильсон И. 206-суточный лунный цикл в аномалиях погоды // Природа. 2018; 4: 19–23.
3. Сидоренков Н. С., Бизуар К., Зотов Л., Салстейн Д. Угловой момент атмосферы // Природа. 2014; 4: 22–28.
4. Лубков А. С., Воскресенская Е. Н., Марчукова О. В. Применение нейронных сетей для прогноза явлений Эль-Ниньо и Ла-Нинья и их типов // Метеорология и гидрология. 2020; 11: 111–121.
5. Sidorenkov N., Dionis E., Bizouard C., Zotov L. V. Decadal fluctuations in Earth’s rotation as evidences of lithospheric drift over the asthenosphere // Proceedings of Journees. 2019: 243–247.
6. Zotov L., Bizouard Ch., Sidorenkov N., Ustinov A., Ershova T. Multidecadal and 6-year variations of LOD // Journal of Physics: Conference Series. 2020; 1705: 012002.
7. Зотов Л. В. Исследование связей между вращением Земли и геофизическими процессами. Дисс. … д-ра физ.-мат. наук. М., 2019.

^* Массив данных ежемесячных измерений температуры. Данные о температуре поверхности моря собираются Центром Хэдли Метеорологического бюро Великобритании, о температуре приземного воздуха — Отделом климатических исследований Университета Восточной Англии.

^** Система отсчета времени, основанная на средних солнечных сутках, средний интервал между двумя последовательными прохождениями Солнца через Гринвичский меридиан (0°).

Что заставляет Землю каждый день вращаться вокруг своей оси?

Это статья из серии «Любопытные дети» для детей. Разговор просит детей присылать вопросы, на которые они хотели бы получить ответ от эксперта. Приветствуются любые вопросы – серьезные, странные или дурацкие!

Что заставляет Землю каждый день вращаться вокруг своей оси? – Рид, 5 лет, Мельбурн.

Чтобы ответить на этот каверзный вопрос, мы должны оглянуться назад во времени, когда Земля родилась, 4,5 миллиарда лет назад. Мы должны спросить: почему Земля вообще начала вращаться?

Когда наша Солнечная система образовалась из газового облака, называемого туманностью, в ней было много пыли и газа, собравшихся вместе под действием силы гравитации. Пыль и газ уже двигались по кругу. Когда все это слилось воедино, образовав Солнце и планеты, эти новые объекты начали вращаться, а затем вращаться еще быстрее.

Читать далее: Любознательные дети: Почему у нас лопаются уши?

Как ускорилось вращение

Когда вы делаете вращающийся объект более компактным, он вращается быстрее. Это похоже на то, как фигурист или балерина сводит руки, когда хочет вращаться быстрее.

Итак, когда все камни в скоплении пыли и газа начали собираться вместе, это ускорило вращение Земли.

Мы рассмотрели, что заставило Землю начать вращаться и что заставило ее набрать скорость. Но почему продолжает вращаться ?

Почему вращение продолжается

Теоретически вращающийся объект будет продолжать вращаться вечно, пока вы не добавите или не уберете энергию.

Представьте себе волчок. Вы добавили к нему энергии, запустив спин-офф своей рукой. В конце концов он останавливается, потому что земля, на которой он вращается, равна 9.0003 забирает энергию из игрушечной вершины посредством чего-то, что называется трением.

Трение — это когда что-то трется о предмет или тянет его за собой и отнимает энергию. Вы когда-нибудь замедляли себя во время спуска, волоча ногу по земле? Это трение.

В игрушке-спиннере не так много трения. Вот почему они могут крутиться так долго.

Но, в конце концов, даже воздух вокруг вас может вызвать трение и замедлить волчок или спиннер.

Назад на Землю

Теперь представьте Землю, парящую в космосе. Он будет продолжать вращаться, если что-то не замедлит его. Потребуется МНОГО энергии, чтобы замедлить вращающуюся Землю, потому что она такая большая.

Он не вращается на земле, поэтому земля его не замедлит. За пределами нашей собственной атмосферы нет воздуха, который мог бы его замедлить. Вот почему Земля продолжала вращаться в течение очень долгого времени.

Читать далее: Любознательные дети: будет ли Вселенная расширяться вечно или сжиматься в результате большого сжатия?

Однако некоторые вещи замедляют движение Земли или могут изменить ее вращение в будущем.

Возможно, вы слышали, что Луна вызывает волны и приливы в наших океанах. Из-за этого Земля замедляется очень медленно (около 1 секунды каждые 50 000 лет). В результате Луна также медленно удаляется от нас.

Когда Земля и Луна были совсем молодыми, Луна была намного ближе (на самом деле считается, что Луна когда-то была частью Земли, но они развалились во время взрывного столкновения с огромным астероидом. )

Откуда мы это знаем? Что ж, ученые, исследующие горные породы, поняли, что раньше в году было намного больше дней. В эпоху динозавров в сутках было 22 часа, а не 24 часа, как сегодня.

Притяжение Солнца также заставляет Землю немного замедляться. И если астероид или комета столкнутся с Землей, это может ускорить нас, замедлить или даже сбить с ног (ученые думают, что это могло произойти с Ураном, который на самом деле лежит на боку — вы можете сказать по вертикальным полосам, облака, а не горизонтальные, которые вы видите на Земле, Юпитере и Сатурне).

Вот еще несколько интересных фактов о вращении планет:

У всех планет разная продолжительность дня. Сутки Меркурия длятся около 59 земных суток, а сутки Юпитера длятся всего 10 земных часов.
У Венеры самый длинный день (если вы определяете день как один полный оборот) почти из 117 земных дней. На самом деле он вращается в направлении, противоположном всем остальным планетам, кроме Урана.
Такая разная продолжительность дня обусловлена тем, как сформировались планеты и что на них повлияло, когда они были очень молоды.

Привет, любознательные малыши! У вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта? Попросите взрослого отправить нам свой вопрос. Они могут:

* Расскажите нам в Твиттере

CC BY-ND

_Пожалуйста, сообщите нам ваше имя, возраст и город, в котором вы живете. Вы также можете прислать аудиозапись вашего вопроса, если хотите. Присылайте столько вопросов, сколько хотите! Мы не сможем ответить на все вопросы, но постараемся.

Почему Земля вращается?

Живая наука поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

(Изображение предоставлено Shutterstock)

Эта история была обновлена в 9:40 утра по восточному поясному времени. в понедельник, 10 сентября.

Каждый день Земля делает один оборот вокруг своей оси, что делает восходы и закаты повседневным явлением жизни на планете. Он делал это с тех пор, как образовался 4,6 миллиарда лет назад, и будет продолжать делать это до конца света — вероятно, когда Солнце превратится в красную гигантскую звезду и поглотит планету. Но почему он вообще вращается?

Земля образовалась из диска газа и пыли, вращавшегося вокруг новорожденного солнца. Согласно Space.com, дочернему сайту Live Science, в этом вращающемся диске частицы пыли и камня слиплись, образуя Землю. По мере роста космические камни продолжали сталкиваться с зарождающейся планетой, оказывая силы, которые заставляли ее вращаться, объяснил Смадар Наоз, астрофизик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Поскольку все обломки в ранней Солнечной системе вращались вокруг Солнца примерно в одном и том же направлении, столкновения также вращали Землю — и большую часть всего остального в Солнечной системе — в этом же направлении. [Фото Хронология образования Земли]

Но почему Солнечная система вообще вращалась? Солнце и Солнечная система образовались, когда облако пыли и газа разрушилось под действием собственного веса. Большая часть газа сконденсировалась, чтобы стать солнцем, а оставшийся материал ушел в окружающий диск, формирующий планету. До коллапса молекулы газа и пылинки двигались повсюду, но в какой-то момент часть газа и пыли сместилась еще немного в одном конкретном направлении, приведя в движение свое вращение. Когда затем газовое облако разрушилось, вращение облака ускорилось — так же, как фигуристы вращаются быстрее, когда они поджимают руки и ноги.

Поскольку в космосе не так много вещей, которые могли бы замедлить ход событий, как только что-то начинает вращаться, оно обычно продолжает вращаться. Вращающаяся детская солнечная система в этом случае имела много так называемого углового момента, величины, которая описывает склонность объекта продолжать вращаться. В результате все планеты, вероятно, вращались в одном направлении, когда формировалась Солнечная система.

Однако сегодня некоторые планеты изменили свое движение. Венера вращается в направлении, противоположном направлению вращения Земли, а ось вращения Урана наклонена на 9 градусов.0 градусов. Ученые не уверены, как эти планеты стали такими, но у них есть некоторые идеи. Что касается Венеры, возможно, столкновение вызвало ее вращение. Или, может быть, она начала вращаться, как и другие планеты. Со временем гравитационное воздействие Солнца на густые облака Венеры в сочетании с трением между ядром планеты и мантией привело к тому, что вращение изменилось. Исследование 2001 года , опубликованное в журнале Nature, показало, что гравитационное взаимодействие с Солнцем и другими факторами могло вызвать замедление и изменение направления вращения Венеры.

В случае с Ураном ученые предположили, что столкновения — одно сильное столкновение с большим камнем или, возможно, раз-два удара с двумя разными объектами — вывели его из строя, сообщает Scientific American.

Несмотря на подобные возмущения, все в космосе вращается в ту или иную сторону. «Вращение — это фундаментальное поведение объектов во Вселенной», — сказал Наоз.

Астероиды вращаются. Звезды вращаются. Галактики вращаются (по данным НАСА, Солнечной системе требуется 230 миллионов лет, чтобы совершить один оборот вокруг Млечного Пути). Одними из самых быстрых объектов во Вселенной являются плотные вращающиеся объекты, называемые пульсарами, которые являются трупами массивных звезд. Некоторые пульсары, диаметр которых равен размеру города, могут вращаться со скоростью сотни раз в секунду. Самый быстрый из них, анонсированный журналом Science в 2006 году и получивший название Terzan 5ad, совершает 716 оборотов в секунду.

Черные дыры могут быть еще быстрее. Один из них, названный GRS 1915+105, может вращаться со скоростью от 920 до 1150 раз в секунду, как показало исследование 2006 года, опубликованное в Astrophysical Journal.

Но все тоже замедляется. По словам Наоза, когда формировалось солнце, оно делало один оборот вокруг своей оси каждые четыре дня.