5.2.2 Неравномерности вращения Земли
5.2.2.1 Прецессия
Вращение Земли не является идеально равномерным. Неравномерность эта очень мала, ее можно заметить только при помощи тонких астрономических наблюдений. Слегка изменяются и скорость вращения, и направление оси вращения. И в том и в другом случае есть изменения медленные, регулярные (их называют вековыми), а есть быстрые, нерегулярные.
Медленные изменения скорости и направления оси вращения вызваны гравитационным влиянием Луны и Солнца, но прежде всего Луны.
Одно из них- уже упомянутая прецессия оси вращения Земли с периодом 25800 лет. Рассмотрим качественно это явление.
Вращающийся волчок (юла) ведет себя не так, как невращающийся,- он не падает на бок, а продолжает вертеться. При этом ось вращения волчка прецессирует, описывает конус. Так же и ось Земли прецессирует вокруг перпендикуляра к эклиптике (рис.). Угол между осью и перпендикуляром к эклиптике = 23o 26'30'', поэтому раствор конуса на рис. равен 2 x 23o 26'30''=46o 53'. На рисунке показана схема возникновения прецессии земной оси. Изображен "тор лунных орбит ": область пространства вокруг Земли, внутри которого движется Луна. Орбита Луны качается относительно плоскости эклиптики (плоскости земной орбиты), Луна оказывается то ближе, то дальше от Земли, но при этом никогда не выходит за пределы тора.
Рис.35: Тор всевозможных лунных орбит и силы, вызывающие прецессию Земли
Если бы Земля была идеально круглой, прецессии не возникало бы. Причина прецессии- гравитационное притяжение к Луне экваториальных утолщений земной фигуры. "Лишняя " масса на экваторе Земли притягивается Луной. Создается момент сил (они показаны на рис.35), стремящихся развернуть волчок, уменьшить наклон оси вращения Земли. Но, по законам вращающихся тел, вместо этого возникает медленное вращение сам\'ой оси вращения- прецессия.
Если бы Луны не было, земная ось все равно прецессировала бы под аналогичным воздействием Солнца и планет, но период прецессии был бы тогда не 25800 лет, а в несколько раз больше (около 100 тыс. лет).
Суммарное гравитационное воздействие солнечной системы вызывает не только прецессию с постоянным углом наклона , но и приводит к медленному изменению самого угла наклона земной оси. Период колебаний угла составляет 41 тыс. лет, при амплитуде 2,5o. Эти небольшие изменения наклона оси Земли к плоскости эклиптики вкупе с изменениями параметров самой орбиты Земли (колебания эксцентриситета, смещение перигелия земной орбиты) задают ритм изменений климата Земли (см. ниже).
5.2.2.2 Приливы и замедление вращения Земли
Установлено, что вращение Земли постепенно замедляется. Причиной замедления является Луна, ее приливное воздействие на Землю.
Народы античного мира были мало знакомы с явлением приливов. Лишь воины Александра Македонского в III в. до нашей эры встретились с этим явлением во время похода в Индию. Вот как описывает это римский историк Курциус Руф.
" Они медленно продвигались дальше и, достигши острова посреди моря, бросили якорь и рассеялись по острову в поисках провианта, не подозревая о том событии, которое ожидало их, несведущих. Был третий час, когда океан стал надвигаться и заливать реку. Образовалась запруда, но дальнейший напор океана еще больше погнал реку назад и она с огромной силой потекла в противоположном направлении, падая, подобно водопаду по покатому руслу. Толпе была незнакома природа моря, и она увидела этом чудо и знамение гнева богов. Вода же с большей силой стала заливать поля, бывшие только что свободными от воды. Вот корабли появились на хребтах волн и весь флот рассеялся в разные стороны. В это время со всех сторон стали стекаться к берегу испуганные люди, пришедшие в ужас от неожиданного несчастья.
Прилив залил все поля, так что одни только вершины их выступали подобно маленьким островкам. К ним в страхе стали спешить очень многие, потеряв надежду добраться до кораблей. Часть флота находилась там, где вода была глубока, где до прилива были долины, часть сидела на мели там, где волны едва покрывали возвышения. Но вдруг случилсь нечто новое и еще более ужасное: море стало отступать, воды длинными рядами волн стали возвращаться к своему месту и снова обнажать только что залитую землю. Корабли, оставленные водой, стали ударяться друг о друга и некоторые легли набок. Поля были покрыты вещами оружием и обломками оторванных досок и весел. Солдаты не смели ни ступить на берег, ни оставаться на кораблях, все еще дожидаясь дальнейшего и худшего. Они едва верили своим глазам: кораблекрушение на суше, течение на море. Несчастью не было видно конца: не зная того, что прилив скоро вернет и воды, и снимет корабли с мели, они опасались голода и величайшей нужды. Там и сям ползали страшные животные, оставленные волнами.
Наступила ночь, и сам Александр был глубоко опечален, отчаявшись в спасении. Но эти заботы не осилили его непобедимой смелости, и он всю ночь оставался на вершине горы, и выслал всадников к истоку реки с приказанием, как только они увидят новый прилив моря, поспешить к нему. Приказал он также разбитые корабли снова исправить, перевернутые волнами поставить прямо и быть готовыми к тому времени, когда море снова зальет сушу. Так провел он всю ночь, бодрствуя и побуждая к деятельности, как вдруг прискакали всадники и вслед за ними столь же быстро поспел прилив. Сначала мелкие и слабые волны стали снимать корабли, но вскоре все поля снова были залиты водой и весь флот был приведен в движение. По всему берегу раздался гром рукоплесканий солдат и моряков, безмерно радовавшихся своему спасению, в котором они уже отчаялись. Откуда же, спрашивали они в изумлении, так внезапно вернулся этот морской прилив? Куда он вчера исчез? И что это за элемент, никому не покорный, но подчиненный закону определенных времен? "
Ответ на последний вопрос был дан в конце XVII в. Ньютоном, объяснившим происхождение приливов и создавшим их первую теорию. Причина приливов и отливов- гравитационное влияние Луны и Солнца, точнее то возмущение, которое вносят Луна и Солнце в гравитационное поле Земли.
Гравитационное поле Земли в первом приближении можно представить как поле массивного шара. При этом на каждое тело, находящееся на поверхности Земли, действует сила притяжения, направленная к центру Земли. Эта сила зависит от массы тела и называется весом этого тела. Притяжение Луны действует таким образом, что создает добавку к весу тела. Эта добавка называется приливной силой и может быть направлена как к центру Земли (тогда вес тела увеличивается), так и от центра (вес тела уменьшается). На рис. показаны величина и направление приливной силы (добавки к силе притяжения Земли) в разных точках поверхности Земли. Как видно из этого рисунка, приливная сила зависит от положения точки по отношению к направлению на Луну.
Рис.36: Распределение приливных сил на поверхности Земли
Сколь велика добавка к весу тела, создаваемая Луной? Это очень маленькая величина. Приливная сила изменяет вес тела всего на одну девятимиллионную долю: увеличивает, если Луна на горизонте и уменьшает, если она над головой.
Аналогично действует Солнце. Оно неизмеримо массивнее Луны, однако приливная сила Солнца из-за его удаленности оказывается вдвое меньше лунной. Приливные силы Луны и Солнца складываются по правилу сложения векторов. Сумма максимальна, когда они находятся на одной линии или близко к тому, то есть в периоды новолуний, полнолуний и особенно затмений.
Приливные силы действуют на любое тело. Человек весом 100 кг во время сильного прилива "теряет в весе " до 20 мг. Впрочем, гораздо более сильные перегрузки мы испытываем в лифте, автомобиле, самолете и т.п.
Приливные силы слегка вытягивают атмосферу Земли в сторону Луны. Они вызывают деформацию твердого тела Земли. Однако наиболее заметно откликается на приливное воздействие океан. Приливные силы, направленные по касательной к поверхности Земли, то есть горизонтальные, сгоняют в океане воду в направлении подлунной и противоположной ей точек, образуя в них поднятие воды (прилив). В открытом океане высота поднятия воды немного меньше одного метра. Вращение Земли и движение Луны непрерывно смещают подлунные точки и заставляют приливную волну бежать вслед за Луной, встречая препятствия в виде материков. Вблизи берегов, в заливах и узких проливах приливы достигают большой высоты, а иногда становятся грозным явлением. Рекордная разность между высокой и низкой водой (19,6 м) регистрируется в заливе Фанди (Bay of Fundy) в Канаде.
Какому ритму подчинены приливы и отливы? Солнечные приливы бывают два раза в сутки, то есть чередуются с периодом 12 ч. Для того чтобы найти период лунных приливов, необходимо кроме вращения Земли учесть и орбитальное движение Луны вокруг Земли. Из-за него период лунных приливов удлиняется на 26 мин., то есть составляет 12 ч 26 мин. Накладываясь один на другой, лунные и солнечные приливы могут взаимно усиливаться или ослабляться. Как уже отмечалось, максимальные приливы бывают в периоды новолуний и полнолуний, когда Солнце, Земля и Луна выстраиваются вдоль одной линии. Таким образом, приливы и отливы, подчиняясь в основном суточному ритму (два прилива в сутки), изменяют свою амплитуду в ритме лунного месяца. Лунный месяц- период между двумя одинаковыми фазами Луны, скажем, от полнолуния до полнолуния, составляет 29 суток 14 часов 6 часов.
Еще в 1754 г. немецкий философ Иммануил Кант высказал мысль, что приливы, обегая за сутки вокруг Земли в направлении, противоположном ее вращению, замедляют это вращение и удлиняют продолжительность суток. Земля вращается, охваченная с двух сторон приливными горбами, как гигантскими тормозными колодками. Работает так называемое приливное трение. Предсказанное Кантом замедление вращения Земли было действительно обнаружено и измерено в середине XX в. Величина углового замедления вращения по современным данным составляет [()\dot] =4.81·10 -22 радиан в секунду за секунду (современное значение угловой скорости вращения Земли =7.292115·10-5 радиан в секунду).
Землю можно уподобить гигантским часам, стрелка которых делает один оборот в сутки (звездные). Замедление вращения приводит к тому, что эти гигантские часы (Земля) все время немного отстают по сравнению с ходом "идеальных " атомных часов (идеальных в том смысле, что их точность во много раз выше). Это отставание очень мало, оно практически неощутимо за сутки или за месяц. Однако ото дня ко дню, от месяца к месяцу отставание гигантских часов накапливается (как проценты на деньги, вложенные в банк). За сто лет наши гигантские часы отстанут уже на заметную величину- около 100 сек., а за 2000 лет на целых 3,5 ч.
Мы не можем вмешиваться в темп вращения Земли и подправлять его в соответствии с атомными часами, зато мы можем согласовать показания атомных часов с вращением Земли. И это во многих отношениях разумно. Люди, животные и растения живут в суточном ритме, то есть в ритме, задаваемом вращением Земли, восходами и заходами Солнца, а не сверхточными атомными часами. В расчетах небесных координат естественных космических тел (планет, комет, и т.д.) и искусственных спутников Земли также аргументом является время, задаваемое вращением Земли. Поэтому в новогоднюю ночь повсюду на Земле добавляют секунду или полсекунды к показаниям самых точных часов. Таким образом осуществляют согласование точного времени и времени, задаваемого вращением Земли.
Итак, приливы стремятся затормозить вращение Земли и в конечном счете повернуть Землю одной стороной к Луне. Луна уже повернулась к Земле одной стороной, поскольку земные приливы на поверхности Луны значительно сильнее, чем лунные на поверхности Земли (в первом случае приливная сила в 36 раз больше, чем во втором). Другая двойная планета солнечной системы, Плутон- Харон, уже завершила свою приливную эволюцию. Вращение Плутона и Харона полностью и навечно синхронизовано, периоды осевого вращения равны между собой и равны периодам обращений одного вокруг другого по относительным орбитам, так что планета и спутник всегда "смотрят " друг на друга одной стороной.
17 Ниже мы рассмотрим явление прецессии, вследствие которого ось вращения Земли очень медленно поворачивается в пространстве.