Дни на Земле становятся длиннее: как стекшая с полюсов вода изменила форму и скорость планеты

Циферблаты наших устройств отсчитывают ровно 86 400 секунд каждый день. Поэтому часто кажется, что вращение Земли — такой же безупречно точный механизм. В реальности наша планета представляет собой сложный, постоянно меняющийся физический объект. Ее скорость вращения нестабильна, и продолжительность суток меняется каждую эпоху.

Долгое время на этот процесс влияли исключительно глобальные природные и астрономические силы. Луна своей гравитацией непрерывно тянет земные океаны, создавая приливное трение, которое работает как гигантский тормоз. Одновременно с этим глубоко под нашими ногами перемещаются массы вязкой мантии, что также корректирует параметры вращения.

Однако теперь в эту систему вмешался новый фактор. Исследование, проведенное учеными из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, доказывает: антропогенное изменение климата достигло таких масштабов, что начало напрямую влиять на небесную механику. Глобальное потепление приводит к стремительному таянию полярных ледников, и это перераспределение колоссальных объемов воды физически замедляет вращение Земли. Более того, скорость этого торможения бьет рекорды последних 3,6 миллиона лет.

Геометрия планеты и закон сохранения момента импульса

Чтобы понять, как повышение температуры воздуха способно удлинить сутки, необходимо обратиться к базовой физике — закону сохранения момента импульса. Согласно этому закону, скорость вращения любого объекта напрямую зависит от того, как распределена его масса относительно оси вращения. Чем больше массы сконцентрировано вблизи оси, тем быстрее объект вращается. Чем дальше масса от оси — тем вращение медленнее.

Земля не является идеальным шаром. Из-за центробежной силы она слегка сплюснута у полюсов и расширена на экваторе. На протяжении тысячелетий огромная часть планетарной воды была заперта в виде многокилометровых ледяных щитов в Гренландии и Антарктиде. Географически эти ледники расположены прямо на полюсах, то есть в непосредственной близости от оси вращения Земли.

Сегодня из-за аномального нагрева атмосферы эти ледяные щиты стремительно разрушаются. Миллиарды тонн пресной воды высвобождаются, стекают в Мировой океан и под воздействием всё той же центробежной силы перераспределяются ближе к экватору.

Происходит глобальное перемещение массы. Земля становится более тяжелой в своей экваториальной зоне. Увеличение радиуса, на котором находится значительная часть массы планеты, неизбежно приводит к изменению полярного момента инерции. Чтобы сохранить общий момент импульса, планета вынуждена компенсировать это расширение снижением угловой скорости. Земля начинает вращаться медленнее, а каждый день становится немного длиннее.

Реконструкция прошлого с помощью искусственного интеллекта

Оценить скорость вращения планеты сегодня не составляет труда: для этого используются сети радиотелескопов и спутниковые геодезические системы. Но чтобы понять, насколько аномально текущее климатическое торможение, исследователям было необходимо заглянуть в глубокое прошлое. Традиционными методами реконструировать длину суток на дистанции в миллионы лет практически невозможно — слишком много переменных участвует в формировании климата и геологии Земли.

Для решения этой задачи швейцарские геофизики применили алгоритмы глубокого машинного обучения. Они использовали так называемую физико-информированную диффузионную модель — нейросеть, которая не просто ищет скрытые закономерности в массивах данных, но и жестко подчиняется заданным законам физики. Алгоритм загрузили данными о палеоклимате: информации об уровне Мирового океана, древнем рельефе и химическом составе донных отложений, которые накапливались миллионы лет.

Модель смогла реконструировать историю вращения Земли за последние 3,6 миллиона лет, начиная с эпохи позднего плиоцена. Результаты показали, что продолжительность суток всегда была подвержена колебаниям. Во время ледниковых периодов плейстоцена вода то сковывалась льдами на полюсах, то вновь затапливала океаны. Эти естественные климатические циклы длились десятками тысяч лет и вызывали плавные изменения длины дня с амплитудой от 10 до 30 миллисекунд.

Но данные XXI века показали заметный срыв стандартного ритма.

Разрушение геофизического баланса

Исторически продолжительность земных суток определялась борьбой двух главных сил. Первая — это упомянутое приливное трение Луны, которое стабильно увеличивает длину дня примерно на 2,4 миллисекунды за каждое столетие.

Вторая сила работает в обратном направлении. Во время последнего ледникового периода гигантские массы льда вдавили земную кору в мантию. Когда лед растаял тысячи лет назад, кора начала медленно подниматься обратно. Этот процесс, известный как послеледниковое поднятие, возвращает массу ближе к центру планеты. Он заставляет Землю немного ускоряться, отнимая от длины суток около 0,8 миллисекунды за век.

До начала индустриальной эпохи эта система находилась в относительном равновесии. Однако расчеты исследователей показывают, что современное таяние льдов полностью ломает эту математику. Если человечество продолжит сжигать ископаемое топливо и нагревать планету по текущему высокому сценарию выбросов, к концу XXI века только климатический фактор будет добавлять к земным суткам до 2,6 миллисекунды за столетие.

Влияние талой воды впервые в истории человечества превысит гравитационное воздействие Луны. Климат становится доминирующей силой, определяющей геодинамику Земли.

Почему миллисекунды имеют значение

Для биологических ритмов человека изменение длины суток на пару миллисекунд абсолютно незаметно. Но для глобальной технологической инфраструктуры это создает проблемы.

Современный мир работает по Всемирному координированному времени (UTC). Этот стандарт базируется на показаниях сети атомных часов, расположенных по всему миру. Атомное время совершенно и равномерно. Однако мы живем на вращающейся планете, поэтому наше время должно быть синхронизировано с астрономическим временем, которое диктуется положением Солнца на небе.

Когда из-за замедления Земли разрыв между идеальным атомным временем и реальным астрономическим вращением становится слишком большим, метрологам приходится вмешиваться. Они искусственно добавляют к суткам одну так называемую «високосную секунду» (координационную секунду), чтобы выровнять показания.

Проблема заключается в том, что компьютерные системы не приспособлены к суткам, в которых внезапно оказывается 86 401 секунда. Интеграция високосных секунд регулярно приводит к масштабным сбоям. При добавлении лишней секунды падали крупные интернет-сервисы, нарушалась работа облачных кластеров, возникали ошибки в системах бронирования билетов и в алгоритмах высокочастотной биржевой торговли. Логика программного обеспечения требует линейного времени, а замедляющаяся Земля делает это невозможным.

Вторая глобальная проблема касается навигации. Системы спутникового позиционирования, такие как GPS, опираются на точное знание того, как Земля ориентирована в пространстве в конкретную долю секунды. На экваторе поверхность планеты вращается со скоростью около 460 метров в секунду. Ошибка в расчете вращения всего на одну миллисекунду дает погрешность в координатах на поверхности Земли в полметра.

В глубоком космосе эта проблема возрастает многократно. Когда космические агентства отправляют исследовательские зонды к Марсу или Юпитеру, антенны на Земле должны быть направлены в космос с абсолютной точностью. Если из-за таяния льдов планета замедляется непредсказуемо, расчеты траекторий сбиваются. Сигнал, отправленный с ошибкой в несколько миллисекунд, промахнется мимо космического аппарата на миллионы километров.

Делая земные сутки нестабильными, мы лишаем инженеров возможности точно прогнозировать положение планеты в будущем.

Результаты швейцарских исследователей заставляют пересмотреть масштаб человеческого влияния на природу. Антропогенное воздействие давно вышло за рамки загрязнения воздуха или вырубки лесов. Меняя температуру атмосферы, мы физически деформируем планету и вмешиваемся в механику ее вращения. Мы не просто меняем климат — мы напрямую вмешиваемся в ход самого времени.

Источник: Research Square