На скорость вращения Земли оказывает влияние не только Луна. Существуют и более слабые солнечные приливы, также тормозящие вращение нашей планеты. Есть и чисто земные причины, влияющие на вращение Земли.
Гравитационная дифференциация недр – одна из них. При опускании тяжелых элементов в земное ядро по закону сохранения момента количества движения должно происходить ускорение вращения – однако оно с большой лихвой компенсируется влиянием Луны и Солнца. Хотя, впрочем, явления типа отламывания больших кусков океанических плит при их погружении под материковые плиты, сопровождающиеся глубокофокусными землетрясениями, сопровождаются также скачкообразным изменением длительности суток, которое легко можно измерить.
Кстати, теория дает несколько большее значение векового замедления: 0,0023 с за столетие. Есть предположение, что разницу в 6 мс за столетие следует отнести за счет перераспределения масс внутри Земли в меридиональном направлении, однако для проверки этой гипотезы необходимы длительные исследования.
Скорость вращения Земли испытывает также периодические и нерегулярные колебания. Причина периодических колебаний, вызванных космическими причинами, в целом понятна: и Земля, и Луна движутся по эллиптическим орбитам, вследствие чего приливные силы то немного ослабевают, то вновь усиливаются. Так, например, существуют колебания с периодом 27,3 суток (период обращения Луны) и 13,7 суток (полумесячные колебания). То же и с системой «Земля – Солнце», только с меньшей амплитудой. Землетрясения, нарушения привычной картины морских течений (вроде квазипериодической активности течения Эль-Ниньо) и даже сезонные перемещения воздушных масс и изменения снежного покрова приводят к небольшим, но вполне поддающимся измерению вариациям скорости вращения нашей планеты.
Иногда, правда, случаются и необъяснимые скачкообразные изменения скорости вращения Земли, но всегда на очень маленькую величину. С чем они связаны, покажут будущие исследования.
Ну а что же с осью вращения? Автору не раз приходилось с изумлением узнавать из «научно-популярных» телепередач о возможности (и даже чуть ли не неизбежности) резкого – на десятки градусов – изменения положения географических полюсов планеты. Земля вдруг ни с того ни с сего начнет вращаться вокруг иной оси – и всем живущим на нашей планете придется весьма несладко. Самое странное то, что этот болезненный бред подчас повторяется людьми, изучавшими физику не только в школе, но и в вузе.
Так и хочется повторить вслед за чеховским персонажем: «Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда». Лишь масштабная космическая катастрофа вроде столкновения Земли с телом сравнимых размеров может резко сдвинуть ось вращения планеты, но при такой катастрофе сдвиг оси – это последнее, от чего может погибнуть человеческая цивилизация. Она погибнет от других причин. Но главное – в обозримом космосе нет достаточно крупных тел, способных столкнуться с Землей и натворить подобных бед. А если такие тела где-нибудь и существуют (например, в поясе Койпера), то они не имеют вредной привычки нарочно искать столкновения с Землей. Ось вращения Земли не менялась рывком никогда, исключая, может быть, гипотетическое столкновение с планетоидом, породившее Луну, и не изменится.
А вот медленный дрейф земной оси действительно происходит. Никакими жуткими катаклизмами он нам не грозит, ибо все живые существа, начиная с примитивных простейших архея и кончая нами, преспокойно живут с этим дрейфом, совершенно не замечая его. Речь идет о прецессии и нутации.
Вам случалось в детстве запускать волчок, причем не тот, что прикреплен осью к основанию, а тот, который свободно бегает по полу? Если да, то вы наверняка заметили, что ось вращения волчка испытывает движения по окружности, гораздо более медленные, чем вращение самого волчка. Такое вращение оси называется прецессией. Формулы, описывающие прецессию, довольно громоздки, но можно объяснить и «на пальцах»: прецессия тем сильнее, чем менее симметрично вращающееся тело или чем значительнее какая-либо сила, действующая на тело со стороны. Поскольку абсолютно строгой симметрии не существует, как не существует вообще ничего абсолютного, все вращающиеся тела, даже гироскопы, изготавливающиеся особо тщательно, испытывают прецессию. Земля несколько асимметрична как по форме, так и по распределению плотности в ее недрах. Вдобавок она в целом представляет собой сплюснутый сфероид, а ее ось наклонена к эклиптике. Луна своим притяжением стремится развернуть Землю «экватором к себе». То же самое, только слабее, делает Солнце. В сумме эти причины более чем достаточны для прецессии оси вращения Земли.
В результате ось вращения Земли описывает конус, вершина которого находится в центре Земли, а ось перпендикулярна эклиптике. При этом угол наклона земной оси к эклиптике остается постоянным и равен 63° 34”. Сейчас северный полюс мира находится вблизи Полярной звезды, но не точно совпадает с ней, что хорошо знают любители астрономии, вынужденные «выставлять на полюс» полярные оси своих монтировок. Для противоположного полушария роль «полярной» может играть невзрачная звезда Сигма Октанта. 3000 лет назад северный полюс мира находился близ «ковша» Малой Медведицы (а не близ крайней звезды «ручки», как сейчас), а спустя 12 тыс. лет роль Полярной звезды с успехом сможет выполнить Вега (Альфа Лиры). Вообще же полный оборот ось вращения Земли совершает примерно за 26 тыс. лет.
Помимо прецессии имеют место мелкие – порядка нескольких угловых секунд – колебания оси вращения Земли около среднего положения. Такие колебания называются нутацией и вызываются тем, что прецессионные силы все время меняются как по величине, так и по направлению. Они уменьшаются, когда Солнце и Луна находятся близ плоскости земного экватора, и вновь увеличиваются, когда склонения этих небесных тел имеют наибольшую величину.
И это еще не все: имеют место блуждающие движения земных полюсов, вызванные тем, что само тело Земли смещается относительно оси вращения. Движения эти ничтожны по величине и не идут ни в какое сравнение с выдуманными «резкими изменениями наклона земной оси». Оба полюса Земли плавно перемещаются, описывая грубые окружности того или иного радиуса, но никогда не покидая условного квадрата со сторонами около 30 м. В квазипериодическом характере движения полюсов выделяются 12-месячный и 14-месячный периоды.
Следующее движение, в котором участвует Земля, это движение вокруг общего центра масс с Луной. Строго говоря, неверно утверждать, что Луна обращается вокруг Земли, – корректнее говорить, что оба тела обращаются вокруг общего центра масс, делая полный оборот за 27,32 суток. Поскольку Земля массивнее Луны примерно в 81 раз, центр масс системы «Земля – Луна» находится под земной поверхностью на расстоянии 4672 км от центра Земли по направлению к Луне. В своем движении по орбите вокруг Солнца Земля описывает отчетливо волнообразную кривую, хотя, конечно, эта волнообразность имеет гораздо меньшую амплитуду, чем у Луны.
Как указывалось ранее, Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, делая полный оборот за 365,256363 суток (звездный год) и имея среднюю орбитальную скорость 29,79 км/с. Естественно, и это движение происходит не вокруг центра Солнца, а вокруг общего центра масс Солнечной системы. Несмотря на то что Солнце в 750 раз массивнее всех остальных тел Солнечной системы, вместе взятых, можно показать, что центр массы Солнечной системы нередко выходит за границы Солнца. Естественно, наибольшее смещение центра масс относительно положения Солнца происходит при так называемом параде планет, когда большинство планет выстраивается по одну сторону от Солнца. Само собой, наиболее сильно «перетягивают на себя одеяло» планеты-гиганты Юпитер и Сатурн.
Как следствие, Земля, даже если вычесть влияние тяготения Луны, все равно движется не по строго эллиптической орбите, а совершает сложные волнообразные движения вокруг кеплеровского эллипса. Существуют гипотезы и даже теории (например, теория Миланковича) о периодических изменениях земной орбиты, связанных с увеличением или уменьшением среднего расстояния от Земли до Солнца. Как бы ни были незначительны эти изменения, ими в принципе можно попытаться объяснить ледниковые периоды в истории Земли; более подробно углубляться в эти теории мы не будем. Отмечу лишь, что в таких движениях орбиты Земли в принципе нет ничего невозможного.
Звезды движутся, и Солнце, являясь звездой, тоже должно двигаться. Движение «неподвижных», как казалось ранее, звезд обнаружил в 1718 году Эдмунд Галлей, сравнив современные ему положения нескольких звезд с их координатами в каталоге Птолемея и учтя прецессию. Обнаружились «разночтения». Если бы они имели характер общей поправки, можно было бы предположить, что не учтено еще одно, пока неизвестное, движение земной оси, – но смещения звезд относительно их положений в каталоге Птолемея имели разновеличинный и разнонаправленный характер, следовательно, могли быть объяснены лишь собственными движениями звезд. В те времена наивные представления о «хрустальном своде небес», куда звезды приколочены наподобие гвоздиков, давно уже ушли в прошлое, и Галлей был не слишком удивлен своим открытием. В течение последующих десятилетий были измерены собственные движения многих звезд. В большинстве своем они малы, однако известно более 100 звезд с годичным движением более двух секунд дуги. Рекордсменом, как указывалось ранее, является Летящая звезда Барнарда с годичным смещением, превышающим 10 угловых секунд.
Но как определить, куда и с какой скоростью движется Солнце? Если предположить, что звезды движутся достаточно хаотично, то собственное движение Солнца (и нас вместе с ним) должно приводить к тому, что звезды должны как бы разбегаться прочь от апекса Солнца (так называется точка на небосводе, куда направлено движение нашего светила) и, напротив, стремиться к противоположной точке небосвода. Разумеется, положение апекса Солнца определится этим методом тем точнее, чем больше движущихся звезд будет учтено.