Учёные разобрались, как Солнце и Луна определили длительность земных суток
Группа астрофизиков из Университета Торонто выяснила, как медленное и устойчивое удлинение земного дня, вызванное приливным притяжением Луны, было остановлено более чем на миллиард лет.
Они показали, что примерно с двух миллиардов лет назад и до 600 млн лет назад атмосферный прилив, вызванный Солнцем, противодействовал влиянию Луны, поддерживая скорость вращения Земли и постоянную продолжительность дня на уровне 19,5 часов. Если бы не эта миллиардолетняя пауза в замедлении вращения нашей планеты, наши нынешние 24-часовые сутки растянулись бы более чем на 60 часов.
Опираясь на геологические данные и используя инструменты исследования атмосферы, учёные показали, что приливная «ничья» между Солнцем и Луной возникла в результате случайной, но закономерной связи между температурой атмосферы и скоростью вращения Земли. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
В своем исследовании Мюррей и его соавторы опирались на геологические данные, например, на эти образцы из приливного эстуария, которые показывают цикл сизигийных и квадратурных приливов. Толстые полосы соответствуют сизигийным, а тонкие — квадратурным приливам
Когда Луна только сформировалась около 4,5 млрд лет назад, продолжительность дня составляла менее 10 часов. Но с тех пор гравитационное притяжение Луны к Земле замедляло вращение нашей планеты, в результате чего сутки становились все длиннее. Сегодня они продолжают удлиняться примерно на 1,7 миллисекунды каждое столетие.
Луна замедляет вращение планеты, воздействуя на земные океаны, создавая приливные волны на противоположных сторонах планеты, которые мы ощущаем как приливы и отливы. Гравитационное притяжение Луны к этим выпуклостям, а также трение между приливами и дном океана действуют как тормоз на нашей вращающейся планете.
«Солнечный свет также создаёт атмосферные приливы с такими же выпуклостями, — говорит Мюррей. — Гравитация Солнца притягивает эти атмосферные выпуклости, создавая вращательный момент на Земле. Но вместо того, чтобы замедлять вращение Земли, как Луна, оно ускоряет его».
На протяжении большей части геологической истории Земли лунные приливы превосходили солнечные примерно в десять раз — отсюда и замедление скорости вращения Земли, и удлинение дней.
Но около двух миллиардов лет назад атмосферные выпуклости были больше, поскольку атмосфера была теплее и её естественный резонанс — частота распространения волн — соответствовал длине дня.
Атмосфера, подобно колоколу, резонирует на частоте, определяемой различными факторами, в том числе температурой. Иными словами, волны, подобные тем, что возникли в результате мощного извержения вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 году, распространяются в ней со скоростью, определяемой её температурой. Этот же принцип объясняет, почему колокол всегда издаёт одну и ту же ноту, если его температура постоянна.
На протяжении большей части истории Земли этот атмосферный резонанс не совпадал с частотой вращения планеты. Сегодня каждый из двух атмосферных «приливов» совершает кругосветное путешествие за 22,8 часа. Поскольку этот резонанс и 24-часовой период вращения Земли не синхронизированы, атмосферные приливы относительно невелики.
Однако в изучаемый период длительностью в миллиард лет атмосфера была теплее и резонировала с периодом около 10 часов. Кроме того, к моменту наступления этой эпохи период вращения Земли, замедляемый Луной, достигал 20 часов.
Когда атмосферный резонанс и продолжительность дня стали отличаться на целый множитель (достигли величин в 10 и 20 часов), атмосферный прилив усилился, выпуклости стали больше, а приливное притяжение Солнца стало достаточно сильным, чтобы противостоять лунному приливу.
«Это всё равно что толкать ребёнка на качелях, — говорит Мюррей. — Если ваш толчок и период качелей не синхронизированы, они не поднимутся очень высоко. Но если они синхронизированы и вы толкаете в тот момент, когда качели останавливаются на одном конце своего пути, то толчок увеличит импульс качелей, и они поднимутся дальше и выше. Именно это и произошло с атмосферным резонансом и приливами».
Наряду с геологическими данными, Мюррей и его коллеги получили результат, используя глобальные модели циркуляции атмосферы (GCM) для прогнозирования температуры атмосферы в этот период. GCM — это те же модели, которые используются климатологами для изучения глобального потепления.
«Я общался со скептиками, не верящими в модели глобальной циркуляции, которые говорят нам, что мы находимся в климатическом кризисе, — говорит он. — И я говорю им: Мы использовали эти модели глобальной циркуляции в наших исследованиях, и они работают правильно. Они работают».
