Сутки на Земле удлиняются. Астрономы не знают, почему

Атомные часы в сочетании с точными астрономическими измерениями позволили установить, что длина суток внезапно начала увеличиваться. Такие изменения могут иметь критическое значение для многих современных технологий, включая GPS.

Сутки на Земле удлиняются. Астрономы не знают, почему

В последние несколько десятилетий вращение Земли вокруг оси ускорялось — так, в июне 2022 года был зафиксирован самый короткий день за последние пятьдесят лет (когда вообще стали возможными замеры с такой точностью). Но сглаженная тенденция после усреднения колебаний говорит об обратном: с 2020 года тренд ускорения сменился на замедление — и астрономы и геофизики не знают, почему.

Хотя часы в компьютерах и гаджетах указывают, что в сутках содержится ровно 24 часа, время, за которое Земля совершает оборот вокруг оси, от суток к суткам немного различается. Эти изменения могут проявляться как на шкале в миллионы лет, так и практически мгновенно — например, на вращение Земли может повлиять сильное землетрясение или даже шторм. Таким образом, ровно 86 400 (24 x 60 x 60) секунды в сутках — это очень редкое событие.

В течение геологической истории, то есть на временной шкале в миллионы и миллиарды лет, вращение Земли постепенно замедляется из-за приливного взаимодействия с Луной. Сутки удлиняются примерно на 2,3 миллисекунд каждое столетие. Несколько миллиардов лет назад сутки на Земле длились всего 19 часов.

Но в последние 20 тысяч лет набирает силу другой процесс, наоборот, ускоряющий вращение. После окончания последнего ледникового периода происходит постоянное таяние ледяных шапок в полярных зонах. При этом уменьшается давление ледяной массы на земную кору. Как следствие, вещество Земли как бы «перетекает» от низких широт к полюсам. Такое явление для земной коры называется изостазией. Она проявляется, например, в том, что Скандинавия постоянно поднимается со скоростью несколько миллиметров в год. Этот эффект можно представить себе на примере деревянного бруска в воде, на котором лежал грузик. Если убрать грузик, брусок немного всплывёт и займёт другое положение равновесия, при котором его (уменьшившийся) вес будет уравновешиваться силами Архимеда. Брусок — это земная кора, которая «плавает» в вязкой верхней части мантии (астеносфере). «Грузик» на бруске — это как раз массы льда, которые самоликвидировались в результате климатических изменений. Этот процесс продолжается сейчас, имея характерные масштабы времени в тысячи или десятки тысяч лет. Но если масса вещества Земли перетекает от экватора к полюсам, это уменьшает момент инерции Земли, соответственно ускоряет вращение. Чаще всего это явление объясняют примером балерины или фигуриста на льду, которые вертятся вокруг оси с раскинутыми в стороны руками. Если прижать руки к корпусу, скорость вращения ощутимо увеличится. Такой процесс на Земле укорачивает сутки на 0,6 миллисекунд за столетие.

Кроме таких крупномасштабных по времени изменений, действуют и другие факторы, вплоть до изменения климата и погоды. Они могут изменять скорость вращения Земли и в сторону ускорения, и замедления. Так, приливные вариации следуют приливным циклам разной длительности — основные здесь, к примеру, месячный (лунный) и двухнедельный циклы. А кроме этого, есть факторы океанских течений, сезонных снегопадов и дождей, перемещения подземных вод и т.д.

С 1960-х годов радиоастрономы разрабатывают технологии одновременного наблюдения квазаров с разных точек Земли. Благодаря этим измерениям у нас в распоряжении есть сверхточные оценки скорости вращения. Сравнение этих измерений с данными атомных часов как раз и показало, что в последние несколько лет сутки (на первый взгляд) сокращались. Но если убрать эффекты флуктуаций скорости вращения за счёт приливов и сезонных колебаний, то есть выделить тренд изменений, то в сухом остатке вывод будет другим. Самые короткие сутки действительно наблюдались 29 июня 2022 года — они были на 1,59 мс короче «нормы» в 24 часа, но долгосрочные тренды, по-видимому, с 2020 года сместились от сокращения к удлинению суток. Это изменение беспрецедентно за последние 50 лет.

Причина изменений неясная. Может быть, сыграли роль климатические факторы, в частности, ураган La Niña, хотя он бушевал перед этими событиями. Может, дело в глобальном потеплении и увеличивающейся скорости таяния ледяных шапок — но скорость таяния не сильно отклоняется от постоянного тренда, который наблюдается в последние годы. Также можно заподозрить гигантское извержение вулкана Тонга, в котором произошёл выброс крупной водной массы в атмосферу. Но и этот фактор, кажется, ни при чём — извержение случилось в январе 2022 года, то есть когда новая тенденция уже набрала обороты.

Было предложено геологическое объяснение явления — так называемые качания Чандлера (Chandler wobble), то есть небольшие отклонения оси вращения Земли (нутации) не совсем ясного происхождения, но с известным периодом около 430 дней — дрейф географических полюсов с амплитудой около 9 метров (не путать с магнитными). Наблюдения радиотелескопов показывают, что амплитуда этих колебаний как раз в последние годы уменьшилась. Не исключено, что два события (скорость вращения и нутации) связаны, хотя пока ниоткуда не следует, что одно является причиной другого — они вместе могут вызываться общей астрономической или геологической причиной.

И наконец, есть объяснение математического характера: на самом деле ничего особого не происходит внутри Земли или на ней; но долговременные приливные циклы накладываются на другие периодические процессы на Земле. Получаются типичные биения: сумма двух периодических движений с разными периодами даёт странные результирующие кривые.

Знание скорости вращения Земли и её изменения — это не только любопытство геодезистов и астрономов; оно абсолютно необходимо для множества практических приложений. Навигационные системы, в частности, GPS критично зависят от точности измерения параметров вращения Земли. Каждые несколько лет в шкалу UTC вставляют одну «високосную», или «корректирующую» секунду, чтобы не терять синхронизации с вращением планеты. В назначенный день в полночь на часах появляется необычная индикация 23:59:60, за которой следует 00:00:00. С 1972 года таким образом в календарь добавили в сумме 27 високосных секунд (с официальным их списком можно ознакомиться здесь). Но если тенденция с увеличением продолжительности суток сохранится, в будущем придётся ввести «отрицательную» високосную секунду. В таком манёвре, в отличие от обычной секунды, усматривают дополнительные угрозы безопасности, связанные с программными сбоями. Проблема, вероятно, сродни обсуждаемой двадцать лет назад «проблеме 2000»; тем не менее глюки программного кода, не понимающего обратного хода времени (разность временных меток отрицательна), возможны, и могут привести к каким-либо неприятностям, особенно если ПО обслуживает критическую инфраструктуру.

Но, возможно, такая необходимость просто подтолкнёт давно ведущуюся дискуссию о том, что високосные секунды лучше бы просто отменить, а хронометрирование для UTC проводить каким-либо более прогрессивным способом. Но замедления Земли на возможную отрицательную секунду ещё не набралось, так что пока самая главная новость — мы можем наслаждаться каждые сутки дополнительными несколькими миллисекундами.

Автор: Сергей Шапиро

Ссылка на источник