Наши дни становятся короче

29 июня 2022 года наша планета поставила рекорд скорости вращения: сутки оказались короче эталонных на 1,6 миллисекунды. С 1962 года, когда время стали измерять с помощью атомных часов, дней короче не было. Геофизики говорят, что вращаться быстрее Земля начала еще в 2016 году, и не исключено, что длина какого-то из дней следующего лета окажется еще меньше.
Одновременно с сокращением суток идет и другой процесс — почти погасли чандлеровские колебания, циклическое смещение земных полюсов. Ученые пока не могут сказать, связаны ли эти события. Возможно, они оба — проявления какого-то пока неизвестного процесса в нашей планете. Редакция N + 1, заинтригованная этими событиями, попросила объяснить, что происходит с вращением Земли, Леонида Зотова, профессора Высшей школы экономики и сотрудника лаборатории гравиметрии Астрономического института имени Штернберга МГУ (ГАИШ).

С точки зрения механики, Земля — это система, состоящая из нескольких оболочек: мантии, литосферы, океана, атмосферы. В ней работает закон сохранения момента количества движения, то есть сумма моментов импульса остается постоянной. Поэтому если в атмосфере, например, усиливаются ветра, дующие с востока, то вращение атмосферы с запада на восток замедляется, а вращение Земли может ускоряться. И наоборот: если доминируют западные ветра, то Земля может вращаться чуть-чуть медленнее.

Еще Кант считал, что вращение Земли должно замедляться под действием приливов, а Лаплас писал, что вулканические извержения, землетрясения, ветра и приливы должны порождать неравномерности в ее вращении. Астрономы фиксировали, что Луна и планеты иногда оказываются в тех или иных точках небосвода чуть раньше, а иногда чуть позже времени, предсказанного законами небесной механики. Это были явные свидетельства неравномерности вращения Земли, но точно измерить отклонения продолжительности суток от эталонных 86 400 секунд удалось только в 1936 году, после появления кварцевых часов. Это сделал Николай Стойко, астроном из Одессы, работавший в Парижской обсерватории.

Ученый обнаружил, что длительность суток может отклоняться от «предписанной» на одну-две миллисекунды, а позже установил, что эти колебания цикличны и их знак меняется с плюса на минус с периодом примерно в шесть месяцев — то есть эти изменения связаны с сезонами. В 1950-е годы Стойко по астрономическим наблюдениям восстановил колебания скорости вращения Земли с середины XIX века и также обнаружил циклы, которые длились десятилетия.

С 1962 года измерения скорости вращения Земли и ориентации ее полюсов ведутся в Центре ориентации Земли в Парижской обсерватории. Его задача — измерять длительность суток и следить за тем, чтобы всемирное координированное время UTC не отличалось от астрономического UT1 больше, чем на секунду. Если расхождение становится больше, то в шкалу вводят дополнительную секунду: последний раз это пришлось делать в 2017 году.

На достаточно длительных интервалах времени наша планета замедляется — из-за диссипации приливной энергии в океане и литосфере Луна удаляется от нас примерно на 3,82 сантиметра в год, и по закону сохранения углового момента (в общей системе Земли и Луны) скорость вращения планеты снижается. По данным геологов, 1,4 миллиарда лет назад длительность суток составляла 18,7 часа.

Но на эту долгосрочную тенденцию накладываются множество других факторов. График колебаний длительности суток — результат множества колебаний с разными периодами, связанных, например, с сезонными факторами или приливными эффектами.

В частности, лунно-солнечные приливы влияют на сжатие Земли и несколько меняют форму планеты. Когда Луна в движении по небу пересекает небесный экватор, Земля вращается чуть медленнее. А когда уходит в северное или южное небесные полушария, как говорят астрономы, на бóльшие склонения, то Земля ускоряется.

Но с 2016 года появилась новая тенденция, объяснить которую ученые пока не могут: Земля начала довольно резко ускоряться. 29 июня 2022 года был зафиксирован абсолютный рекорд за всю историю наблюдений: сутки в этот день закончились на 1,6 миллисекунды раньше эталонных 86 400 секунд. Таких коротких суток не было, как минимум, 80 лет. Через месяц, 26 июля, график снова провалился больше чем на 1,5 миллисекунды, но, правда, рекорд конца июня устоял.

Если тренд, обозначенный на графике выше синей линией, продолжится, не исключено, что ученым впервые в истории придется не добавить, а вычесть «високосную» секунду.

Свой вклад в рекорд 29 июня сделали несколько факторов. В частности, это сезонное колебание, связанное с перераспределением масс в атмосфере, и приливное колебание (Луна как раз ушла к северу) — они хорошо известны и объясняются довольно неплохо. Но тенденции, которая началась с 2016 года, никто не ждал, и объяснить ее ученые пока не могут. Если поступить так же, как делают климатологи, — вычесть из графика наблюдаемых колебаний известные факторы, то станет виден тренд, который отражает пока не понятые процессы.

Любопытную корреляцию, связанную с аномальным сокращением суток, заметили Леонид Зотов, Кристиан Бизуар (Christian Bizouard), руководитель Центра ориентации Земли, и Николай Сидоренков из Гидрометцентра России. О своем наблюдении, которое не объясняет ускорение вращения планеты, но может сообщать что-то о механизме явления, ученые рассказали на конференции AOGS 2022.

Качайся медленней, вертись быстрее

Ось вращения Земли двигается. Как ось любого волчка или гироскопа, она описывает в пространстве конус — это называется прецессией, благодаря этому движению примерно через 14 тысяч лет полярной звездой окажется Вега. Полный круг ось Земли описывает за 26 тысяч лет. Двигаясь по этому большому кругу, ось испытывает еще и относительно небольшие колебания — нутацию, чей цикл занимает 18 лет, и еще множество более мелких колебаний с периодами 13,7 суток, 27,6 суток, шесть месяцев, год.

Однако есть и другой тип колебаний: это смещения Земли относительно мгновенной оси вращения. Иначе говоря, в этом случае земная ось двигается не относительно космического пространства, а относительно поверхности Земли. А поскольку к полюсам — точкам, сквозь которую проходит ось вращения, — привязаны все системы географических координат, то для геодезистов это выглядит так, как будто бы у всех точек на планете меняется широта. Эти смещения очень невелики — десятые и сотые доли угловой секунды, что соответствует метрам на поверхности.

Их предсказывал еще Эйлер, а в середине XIX века были получены первые измерения. В конце века американский астроном Сет Чандлер (Seth Chandler), проанализировав примерно 30 тысяч измерений в обсерваториях по всему миру в период с 1841 по 1890 год, вычленил два типа колебаний полюса: с периодами в 428 и 365 суток, а затем нашел, что в них присутствует еще и 436-дневный цикл.

В 1901 году Чандлер, опираясь на свою модель, предсказал, что через 10 лет суммарные смещения полюса должны прийти к нулю, но ошибся на 20 лет — минимум чандлеровских колебаний был зафиксирован в 1930-е годы.

Ускорение вращения Земли, которое мы сейчас наблюдаем, — аномалия. Но в 1930-е годы было похожее событие: одновременно исчезло чандлеровское колебание и довольно сильно просела продолжительность суток — на том же уровне, как сейчас«, — говорит Зотов. Кроме того, астрономические данные, хотя они и не так точны, как современные измерения с помощью атомных часов, но все же вполне ясно указывают, что тогда же, в 1930-е годы, наблюдалось почти такое же сокращение продолжительности суток.

Ученый подчеркивает, что пока нельзя говорить о причинно-следственной связи между этими двумя явлениями, более того, теория разделяет скорость вращения и движение оси.

«По формулам, движение полюсов не связано с тем, как меняется скорость вращения. Пока мы наблюдаем только корреляцию, еще не существует разработанной теоретической модели, которая позволила бы связать их. Но с другой стороны, в недрах планеты, или в каких-то оболочках может возникать такая сцепка между этими компонентами, то есть можно предположить, что оба процесса — ускорение вращения Земли и угасание чандлеровских колебаний с периодом около 80–90 лет — могут быть проявлением работы какого-то одного механизма», — считает ученый.

Зотов говорит, что еще одним проявлением работы этого механизма может быть Атлантическое мультидекадное колебание — это явление на севере Атлантики, подобное Эль-Ниньо в южной части Тихого океана: изменение температуры у поверхности океана с периодом примерно 80 лет, которое приводит к масштабным изменениям в ветровом режиме, количестве осадков, интенсивности, количестве и траекториях штормов.

«Сейчас мы находимся на максимуме этого 80-летнего колебания. Температура над Атлантикой в данный момент примерно на 0,2 градуса выше, и это заметно по глобальной температуре на планете. Исходя из корреляции, можно сделать предположение, что когда Земля вращается чуть быстрее, Атлантическое колебание идет вверх, а если эта тенденция прекратится, Земля начнет притормаживать, и Атлантическое колебание тоже начнет спадать. Это не причина разгона планеты, энергия, запасенная в колебаниях температуры, относительно мала, но это может быть отклик на процесс, который влияет и на скорость вращения Земли», — говорит Зотов.

Он рассчитывает, что ученые со временем сумеют найти механизм, раскручивающий Землю. «Хотя это очень малые колебания — миллисекунды в сутки, — но это сигнал, который говорит нам, что есть какие-то процессы в ближнем космосе, в оболочках Земли и ее недрах, о которых мы пока не знаем. Наша планета что-то чувствует, происходят какие-то явления, в этих миллисекундах скрывается что-то крайне интересное», — говорит Зотов.