Вращение Земли
Итак, наша чудесная планета вращается вокруг Солнца и вокруг своей оси. Но на самом деле, Земля совершает много сложных вращательных колебаний, а поэтому не всё так просто.
Нашу планету можно представить себе, как огромное колесо от велика на оси. В учебниках предлагают сравнивать Землю с волчком, но, как вы помните, мне это сравнение не нравится, потому как в Зоддьей системе координат, Земля летает не слева направо в районе плоскости эклиптики, а сверху вниз вокруг Солнца, как оси у колеса. Этот взгляд на движение Земли вообще ничего не меняет в физической картине мира, но зато меняет её координаты в Солнечной системе, и их вычислять становится много проще.
Итак, если ты возьмёшь велосипед, открутишь от него колесо, возьмёшь это колесо за ось и раскрутишь, то заметишь, что отныне колесо очень хочет сохранять своё положение в пространстве, и наклонить его тем труднее, чем быстрее оно крутится. Это называется законом сохранения момента сил. Действительно, у обода вращающегося колеса есть инерция, и чтоб заставить материальные точки, обладающие массой, вращаться в другой какой-то плоскости, нужно приложить к ним силу в течение времени, то бишь затратить работу. При этом колесо будет терять свой суммарный импульс, и если его туда-сюда крутить, оно в итоге остановится вообще.
Что характерно, раскрученное колесо пытается сохранить своё положение не относительно поверхности Земли или ещё какой-то точки отсчета, а относительно самой Вселенной, то бишь пространства-времени. Удивительно, но это так — обычное раскрученное колесо превращается в универсальную систему отсчета, от которой можно вычислять все остальные углы и направления во Вселенной! Вернее, это было бы так, если б колесо находилось в пустоте космоса вдали от любых крупных гравитирующих масс. Но наше колесо находится на Земле, которая сама как колесо, а ещё и летает вокруг Солнца, а Солнце летает в колесе Млечного Пути, и сам Млечный Путь летит черт знает куда в галактику Андромеды.
Но благодаря этому обстоятельству с помощью обычного колеса от велика можно доказать вращение Земли. Нужно лишь проделать небольшую творческую доработку велосипедного колеса. Обратимся к классике, а именно к «Гарри Поттеру»: нас интересует Маховик Времени, а вернее та система шарнирных подвесов, в котором в нем закреплены песочные часы.
Вот такую же трёхосную систему подвесов нам надо слепить для нашего велосипедного колеса. А ещё — прилепить с колесу электромотор, превратив его в мотоколесо со статором на оси и ротором вокруг него на ободе, с питанием через щетки, чтоб это всё можно было вращать по трём осям без натяжения проводов. Почему так? Да потому что сила трения в любом случае будет даже в самых крутых подшипниках, и ни одно колесо не может крутиться 24 часа с одного пинка даже в вакууме.
Для наглядности на ось можно присобачить лазерную указку. Ну вот, теперь если мы направим ось нашего колеса куда-то в небо (только не строго на север или строго на юг!), то конец оси за сутки опишет некий круг (параметры которого зависят от географической широты) и вернётся в начальное положение. Поставить видеокамеру на таймлапс, точка лазера нарисует нам по стенам комнаты этот круг.
Хочу тебя обрадовать — мы собрали гироскопический компас. Если бы мы направили его ось строго на север или на юг, то луч лазера в течение суток описал бы эдакий конус, в вершине которого был бы астрономический земной север или юг, соответственно (но не магнитный, спешу заметить), но относительно стен вашей лаборатории никуда бы не сместился. То есть, в любой момент времени и в любой точке Земли ваш девайс бы показывал точно на ту же точку небосвода, и если бы это была Полярная звезда, то на неё, например.
Так как гироскопические компасы не зависят от магнитного поля Земли, они много точнее обычных магнитных компасов. Но намного нежнее: если к гироскопическому компасу приложить единовременно вектор силы (пнуть ногой, например) его ось вращения смещается, и он больше не указывает на север. Магнитному компасу на такие пинки категорически плевать. Поэтому магнитные компасы таскают с собой туристы, а гирокомпасы ставят на самолёты и корабли в специальных противоударных корпусах. Есть ещё лазерные «гироскопические» компасы, но они потому и в кавычках, что к гироскопу как таковому прямого отношения не имеют, а меряют углы, на которые их вертят. Но о них прочитайте сами.
Вот Земля — это и есть такой здоровенный гироскоп, указывающий своей вращения осью тоже куда-то в район Полярной Звезды на севере или звезды Турайс на юге. Указывающий неточно и немного гуляющий туда-сюда, ниже расскажу почему. Просто пока запомните, что земная ось не указывает прям точно на Полярную звезду. Ничего особенного в Полярной звезде нет, это просто звезда, удачно попавшая в фокус земного гироскопа в то время, когда мы начали внимательно наблюдать за звездным небом. Полярная звезда никак не связана с Землей или Солнечной системой, летит себе куда летит по кругу вокруг центра Млечного пути и даже понятия не имеет, что земляне по ней чего-то там ориентируют тут у себя на своей жалкой планетке. Для какой-то другой планеты в другой звездной системе в роли Полярной звезды может запросто прям сейчас выступать наше Солнце. И вполне возможно, что там какой-то местный Птолемей с двенадцатью щупальцами прямо вот сейчас пишет научный труд о строении мира, помещая наше Солнце в верхнюю точку Сферы неподвижный звёзд. Хотя, может быть, и с четырнадцатью щупальцами, тут я могу ошибаться, конечно.
Как бы то ни было, Земля наклонена в своём вращении под 23.2 градуса к собственной Солнечной орбите, и этот угол остаётся постоянным* во всех точках этой орбиты. Именно поэтому на Земле существуют времена года и природные зоны, а также есть такой феномен, как полярный круг, за которым есть не просто времена года, а полярная ночь и полярный же день. То есть, такие ситуации, когда Солнце вообще не встаёт из-за горизонта никогда в течение суток. Причём длиться этот феномен может даже до половины года (точнее, до 174 дней). Это полярная ночь. А полярный день — это наоборот, когда Солнце в течение 24 часов так и не уходит за горизонт.
Вот на этой картинке вполне понятно, почему это происходит. На ней, кстати, изображено 22 декабря.
Как видно, сверху на Земле есть кружочек, по которому как ты ни крутись, всё равно остаёшься в тени и под солнечный свет не попадаешь. А снизу же — наоборот. В симметричном кружочке как ты не крутись, от солнечного света никуда не денешься. Это и есть полярные круги, в этом их геометрический смысл.
Собственно, из-за наклона оси получается, что Земля как бы поворачивается к Солнцу то одним, то другим боком. Из-за этого меняется угол падения солнечных лучей на поверхность Земли, а значит и угол их отражения. Из-за этого почва и воздух прогреваются по-разному. И поэтому у нас зимой дубак, а летом жарища. У нас — это в средних широтах. На экваторе, например, смены сезонов особо и нет. На Земле к тому же ещё и очень много воды на поверхности, поэтому климат и сезонность на нашей планете далеко не так просты, как может показаться на первый взгляд. Температура зависит, конечно же, вовсе не только от текущего наклона земной оси относительно фронта солнечных лучей. Например, Внутренняя Монголия, где я работал в прошлом году, находится южнее почти всей Европы (кроме Греции, юга Италии и Испании), но холодина зимой во Внутренней Монголии просто жуткая по сравнению с тем же Лазурным побережьем Франции, хотя широта одна.
Ну да, возможно ты не знаешь, но город Владивосток находится чуть южнее, чем Сочи, и тоже на берегу моря. Но вряд ли ты поедешь из Москвы зимовать во Владик. По крайней мере, я тебе это категорически не рекомендую, ведь климат там в целом такой же гадкий, как и в намного более северном Петербурге.
Но как бы то ни было, со всеми корректурами из-за океанов, гор и атмосферных течений, климат Земли определяется наклоном её оси к орбите обращения вокруг Солнца. Если бы ось Земли к этой орбите была бы перпендикулярна, климат на Земле был бы совершенно иной, а зимы и лета бы не было.
Одна из планет нашей системы, а именно Уран, наклонена к плоскости своей орбиты вокруг Солнца аж на 97.8 градусов. То есть, полярная ночь там бывает сразу в целом полушарии, а не в небольшом пятачке полярного круга. И соответственно наоборот: на одном из полюсов день длится «полгода». Ну, Уран значительно дальше от Солнца, чем Земля, а потому «полгода» тут равны 42 земных года. То есть, человек на Уране мог бы родиться на восходе Солнца и до следующего восхода так и не дожить, потому что это 84 года ждать. Это при том, что Уран вокруг своей оси вращается за 17.3 часа всего. Если бы Земля была наклонена так же сильно, как Уран, никакой особо жизни у нас бы тут не было. Разве что под водой.
Но вернёмся к нашему гироскопу и звездочке*. В отличие от идеально сбалансированного колеса, Земля прилично так восьмерит. Причём гуляет как ось вращения Земли, так и орбита, по которой Земля летает вокруг Солнца. Эти явления называются прецессия, нутация и изменение наклонения плоскости орбиты (для него нету отдельного термина).
Почему это происходит? Давайте начнём с наклона оси, откуда берётся прецессия и нутации. Дело в том, что Земля — далеко не идеальный шар. Сразу хочу сказать, что Земля куда более близка по форме к идеальному шару, чем любой шар, который вы можете найти вокруг себя прямо сейчас. Даже глобус Земли куда более кривой, чем настоящая Земля. Хер с ним с глобусом, даже профессиональный бильярдный шар только что из коробки — и то сильнее отличается от идеальной сферы, чем планета Земля, вот настолько она сферична.
Обыватели говорят, что Земля имеет форму геоида. Но это не так. Ровно наоборот: геоид — это стереометрическая фигура, имеющая форму земного шара. Это научное определение геоида, если что. Можете забыть все жуткие картинки, на которых Земля изображена в виде пожёванного сухофрукта. Всё это лишь эффект от логарифмической шкалы. Земля — практически идеальная сфера; если бы мы уменьшили Землю в сто миллионов раз, чтоб её можно было взять в руку, то даже самый чувствительный слепой не нащупал бы на ней никакого отклонения от шара.
Но, во-первых, Земля-таки огромна, а во-вторых, Земля крайне неоднородна, а в-третьих, Земля внутри жидкая. И посреди этой жидкости (очень плотной и вязкой, потому как это — расплавленные металлы) находится ещё более плотное и тяжелое ядро. Которое ещё и вращается быстрее поверхности Земли, но всего на 0.68 секунд в сутки. И атмосфера Земли тоже вращается вместе с планетой, и тоже быстрее поверхности из-за более ярко выраженного действия ускорения Кориолиса в жидких и газообразных средах. Поэтому самолёты летят на восток быстрее, чем на запад.
Ты можешь попробовать раскрутить волчком на кухонном столе сырое и варёное яйцо, и заметите, что вареное яйцо чот совсем хреново раскручивается. Это потому, что внутренний жидкий белок яйца не связан намертво со скорлупой, а потому стремится сохранить свою инерцию, то бишь никуда не вращаться вовсе. Но и наоборот, если вы раскрутите внутреннюю жидкость, она будет сглаживать внешние воздействия и сохранять вращение яйца. Но тут тебе придётся прям постараться и придумать какую-то яйцевую центрифугу.
Вот так и с Землей. Неоднородности и несимметричность Земли порождают нутации, а общая колоссальная инерция и жидкая мантия сглаживают внешние воздействия других тел и порождают прецессию. То есть, медленное круговое смещение направления оси вращения нашего гироскопа-Земли. Траектория этого смещения замкнутая, как и положено нормальному телу в поле тяготения, Земля не совершает в своём движении никакой работы, а потому всё в итоге возвращается обратно, откуда и началось. Кроме нутаций, которые затухают до следующего возмущения извне.
И вроде бы Земля огромна, а все эти воздействия очень слабы по сравнению с её колоссальной массой и колоссальной же инерцией, но с вращением так всегда. Помнишь грузики для балансировки колеса? Они же весят совсем мало: 10-30 граммов всего. А колесо весит 15-35кг, но грузика в тысячу раз меньшего по массе хватает для изменения геометрии вращения колеса.
Из-за очень большого числа факторов, прецессию Земли невозможно рассчитать, но можно измерить, и измерена она очень хорошо. И короче, полный цикл прецессии Земли составляет 25765 лет по нынешним вычислениям. То есть, ось вращения Земли отклонится от той точки во Вселенной, куда она указывает сейчас, опишет небольшой кружок (ну, смотря с чем сравнивать) и вернётся обратно в ту же точку через 25765 лет. Вроде бы, совсем мелочь, но из-за этого северный конец оси вращения Земли более не указывает прям точно на Полярную звезду. А через 6500 лет южный конец оси будет показывать на звезду Турайс (она же Йота Киля). А ныне же показывает в пустоту (не в пустоту, конечно же, просто невооруженным взглядом там ничего путного не видать). Но 25765 лет — это очень много, за то время звёзды прилично так сместятся, а потому на Полярную звезду наш северный полюс больше показывать вообще не будет никогда.
В третьем тысячелетии новой северной поляриссимой (так правильно называется звезда, на которую указывает ось вращения Земли) будет Гамма созвездия Цефея, а в пятом тысячелетии её сменит Бета Цефея же. Далее это будет Альфа Цефея, Альфа Лебедя, Гамма Лебедя, и в итоге Вега, она же Альфа Лиры. Вот такие дела, малята. Ах да, от рождества Христова и до конца Раннего Средневековья (примерно до смерти Владимира Мономаха) северная поляриссима как таковая у нас отсутствовала вообще. Как ныне отсутствует южная поляриссима, ну да и черт с ней, не очень-то и хотелось.
Но вернёмся к движению Земли по орбите вокруг Солнца. Солнце--Земля — это отличный пример замкнутой механической системы. Земля летает вокруг Солнца под действием гравитации. Гравитация — это замечательная сила, замечательна она тем, что при замкнутых траекториях движения не производит работы. А раз не производит работы, то и не тратит энергии, поэтому Земля вокруг Солнца может вращаться вечно, и общий момент сил системы Солнце—Земля не изменится.
Кто-то сможет спросить: «А с какого это, собственно, хера гравитация не производит работу?» Ну, во-первых, не производит она работу только при замкнутой траектории и неизменной сумме потенциальной и кинетической энергии. Когда метеорит врезается в Землю, гравитация очень даже производит работу, так много работы, что на многие километры вокруг всем наступает конец. Но тут у нас налицо переход кинетической энергии в энергию удара, а посему простите.
Гравитация не производит работы в отличие от механических сил, потому что гравитация — это не сила. В современном представлении, гравитация — это геометрическое искривление пространства-времени. Но при построении физических чертежей мы по традиции рисуем вектор силы притяжения, потому как рисовать гравитацию очень неудобно.
Вот, представим себе что некое материальное тело летит прямолинейно мимо большой гравитирующей массы, которая исказила пространство-время. Летящее тело тут у нас не материальная точка, а нормальное такое тело, состоящее из частиц. Так как пространство-время искажено и представляет собой как бы эдакие концентрические круги, сходящиеся к гравитирующей массе, что это пространство-время исказила, то путь частиц нашего тестового тела, что ближе к гравитирующей массе, будет короче, чем путь частиц, что от гравитирующей массы дальше.
Представил себе эту херню? Ну, это как на лыжах едешь, и одна лыжня продолжает идти прямо, а вторая направо. Что происходит в этом случае? Ноги начинают разъезжаться, и либо ты садишься на задницу (что в нашем случае невозможно, так как у тестового тела нет задницы и садиться ему не на что), либо переставляешь и левую ногу из лыжни тоже и едешь уже направо одним куском.
Как видно, никаких внешних механических сил тут как бы и нету. Сама кривизна пространства-времени заставляет тела крутиться вокруг друг друга и падать друг на друга. И, как можно заметить, гравитация не работает на квантовом уровне планковской длины, потому что ежели частица влезла в планковскую ячеечку пространства, то ноги у неё не разъезжаются уже. Она едет на сноуборде, всеми ногами в одном кванте пространства. Чтоб описать, во что же превращается гравитация на уровнях планковских величин, нам нужна теория квантовой гравитации, а мы её пока так и не придумали, к сожалению.
Но и помогай ей бог, вернёмся к Солнцу. Вокруг Солнца мотается много всего разного — планеты, астероиды, кометы, пыль и прочая дрянь — но на самом деле 99,86% массы нашей Солнечной системы сосредоточено в самом Солнце. Весь остальной ливер — это всего лишь жалких 0.14% Причём 0.085% от этой жалкой доли — Юпитер. А ещё 0.028% — это Сатурн. Как видите, на всю прочую хрень не остаётся почти ничего, хотя там ещё и здоровенные Уран с Нептуном.
Несмотря на относительно малую массу, вся эта мелюзга потихонечку тормозит Солнце. Да, Солнце тоже вращается вокруг своей оси. Солнце тормозится и остальные планеты разлетаются дальше от него. Это тоже следует из закона сохранения импульса. Плюс, Солнце постоянно теряет массу из-за излучения — каждую секунду аж 9 миллиардов тонн.
Земля улетает от Солнца со скоростью порядка 15 сантиметров в год. Потерей Солнечной массы ранее получалось объяснить удаление на 1.5 сантиметра в год, то бишь в десять раз меньше. Остальное движение списывали на влияние Темной материи. Но и тут в очередной раз сторонникам Темной материи не повезло: японцы очень внимательно померили параметры системы Солнце—Земля и оказалось, что Земля вызывает на Солнце приливы, которыми тормозит вращение Солнца и забирает таким образом часть импульса себе, разгоняется по орбите быстрее (но теряет угловую скорость), а раз разгоняется, то должна лететь выше и выше в соответствии с законами Кепплера. Точно по такой же схеме Луна тормозит Землю, ворует у неё импульс и улетает всё дальше от нас.
И никакой Темной материи опять нету.
Удаление Земли от Солнца довольно прилично увеличивает продолжительность года. На 2000 лет продолжительность тропического года увеличилась на несколько минут и ныне составляет 365 дней 5 часов 48 минут 45,19 секунды. Именно из-за того, что Земля за полный круг вокруг Солнца совершает не целое число оборотов, мы и добавляем лишний день каждые четыре года в високосные года.
Как можно видеть, это тоже косяк ещё тот: четыре раза по 5 часов 49 минут — это никак не плюс один 24-часовой день, правда? Вот поэтому каждые 400 лет есть три года, которые должны быть високосными, но такими не являются. Например, 2100 год хоть и выглядит високосным по формальным признакам (отлично делится на четыре), но будет содержать 365 дней, как и обычный. Иначе у нас календарь уедет к чертовой матери. Но даже с учетом пропуска високосных годов, через 3200 лет календарь съедет на один день, и придётся сделать год вообще из 364 дней, либо пропустить ещё один високосный год. Тут еще не договорились, и время пока есть.
Другой интересной фишкой является удлинение суток. Да, сутки на Земле, то бишь её полный оборот вокруг своей оси, длятся нифига не 24 часа. Я сейчас не о сидерических сутках, которые на 4 минуты короче солнечных, а о честных астрономических солнечных сутках.
Как я писал выше, Земля вращается не совсем прям равномерно из-за всевозможных возмущений, которые возникают как внутри неё, так и снаружи. На скорость вращения Земли могут влиять даже климатические условия и землетрясения. И хотя в целом погрешность эта очень мала, периодически за год набегают лишние секунды. В 1972 году пришлось добавить аж 2 секунды к году, а так их добавляли почти каждый год, кроме большого перерыва с 1999 по 2005 годы. С начала 21 века секунды добавлять стали сильно реже, примерно каждые три года только. Но вообще планируется, что каждый век придётся добавлять к годам на 64 секунды больше. То есть, в 21 веке 64с, в 22 веке уже 128с, в 23 веке — 192с, и так далее.
Лишние секунды добавляют или к 30 июня, или к 31 декабря (так просто повелось, без какой-либо веской причины), и выглядит это, как 23:59:60.
Откуда эти данные и к чему такая точность? Эта точность критически важна, милый мой друг. В нынешние времена мы очень и очень пристально и качественно следим за своей планетой из космоса с множества независимых спутниковых систем. Благодаря обширному флоту научных и бытовых спутников, мы ныне не только способны измерить длительность оборота Земли в микросекундах (не в милли-, а в микро-, в миллионных долях секунды!), но и измерили диаметр (а вернее, диаметры) Земли с точностью до 5мм (вот как бы ни удивительно это звучало).
Да, ты наверняка пользовался GPS и скептически думаешь, что это кривая хреновина, которая прыгает на несколько метров туда и сюда, но геодезические прецизионные приемники GPS действительно имеют точность до сантиметров и даже до миллиметров для статических измерений. К сожалению, без постоянного и сверхточного геодезического мониторинга ныне совершенно невозможна эксплуатация сложных и больших сооружений, типа мега-мостов или длинных тоннелей. Или огромных коллайдеров: напомню, что нейтрино, летающие быстрее скорости света, итальянцы «обнаружили» именно из-за криво смонтированного датчика GPS.
А что, собствннно, делает спутник GPS или другой системы глобального позиционирования? Он банально передаёт сигнал времени. Не надо думать, что у тебя телефон или навигатор с космосом из кармана связывается. Нет, он просто ловит сигналы точного времени со спутников и считает задержку этих сигналов, вычисляет расстояние до спутников, расположение которых на орбите точно известно, и через нашу любимую триангуляцию определяет, где ты находишься.
Для точной геолокации важна не только скорость вращения Земли в микросекундах, но и даже учёт релятивистских эффектов замедления времени. Да, GPS — это ещё и такой масштабный эксперимент, подтверждающий Общую Теорию относительности. Вот вроде бы казалось: какая херня — узнать, где там несун из доставки тебе пиццу тащит, да? Ан нет! Без поправки на замедление атомных часов из-за искривления пространства-времени Землей на орбите это не работает.
Ну так вот, у GPS и вообще всех спутников связи, а равно и ещё у кучи всякого оборудования в прошлом году начались серьезные проблемы. Совершенно пока непонятно почему, но Земля наша стала вращаться быстрее…
Нет, не от Ковида, хотя черт его знает. Может быть, природа настолько очистилась во время карантинов, что реально Земля ускорилась. Но скорее всего нет. Очень вероятно, что этот эффект связан не с карантином, а с таянием ледников и глобальным потеплением. Породы земной коры, сдавленные ранее льдом, распрямляются и удаляются от центра в районе полюсов. Земля становится менее сплюснутой и оттого крутится быстрее. Но это неточно.
Ну, Земля не прям драматически быстрее стала крутиться, конечно. Но за всё время точного наблюдения за скоростью вращения Земли с 1972 года, именно в 2020 году был зафиксирован самый короткий день. Это был 19 июля, день был короче стандартных 24 часов на 1.4602 миллисекунды.
Всего-то? Да, всего-то. Но если всё время ученые фиксировали замедление вращения Земли и удлинение дней в плюс (для того и прибавляли лишние секунды постоянно), то 2020 — это первый год, когда Земля стала ускоряться. И так сильно, что, возможно, в нынешнем 2021 году одну секунду из года придётся даже вычесть! То есть, 31 декабря 2021 года может закончится в 23:59:58.
Такие обсуждения уже идут, хотя официального консенсуса пока нет. Но если секунду не решатся вычесть в этом году, то она уж точно набежит в минус в следующем, потому как Земля пока не собирается сбавлять обороты и продолжает крутиться быстрее обычного.
Вот так! Люби свою Землю, она крутится для тебя, как угорелая, %username%.