Ученые установили еще одно последствие глобального потепления: сутки становятся все длиннее из-за замедления Земли Вряд ли это поможет вам разгрести отложенные дела — а вот сбои в навигации по всему миру возможны
Исследователи из Политехнического университета в Цюрихе установили, что изменение климата в последние десятилетия начало существенно влиять на длительность астрономических суток. Это связано с перераспределением массы на планете в результате повышения уровня мирового океана и таянием льда в полярных областях. По расчетам ученых, к началу XXI века «климатическое замедление» по своему влиянию стало сравнимо с основным фактором удлинения суток — лунными приливами, — а в будущем может выйти на первое место по важности. И хотя человеку почувствовать такие изменения невозможно, они вполне способны повлиять на работу спутниковой навигации и многих других компьютерных систем.
Как вообще могут замедляться сутки, если в них всегда 86 400 секунд? Дело в том, что есть два типа времени — и они не во всем совпадают
Все интуитивно понимают, что такое сутки, но попробуйте дать этому слову точное определение. Есть два варианта, которые наверняка придут вам в голову:
- период времени, за который Земля совершает полный оборот вокруг своей оси;
- период времени, равный 60×60×24 = 86 400 секундам.
Кажется, эти определения — просто разные способы сказать одно и то же, но это не так. На самом деле это два разных типа суток, и на них опирается два типа систем времени, которые не совпадают друг с другом. Причем несовпадение — не абстрактная казуистика, оно имеет вполне практические последствия для жизни и экономики. В частности, раз в несколько лет заставляет метрологов «подкручивать» международные стандарты времени, добавляя к году високосные секунды — чтобы часы разных типов не слишком сильно расходились друг с другом. Это создает значительные (и не всегда предсказуемые) проблемы с синхронизацией всей мировой автоматики, работой систем навигации и прочих программных систем, зависимых от учета времени. Теперь же к факторам, влияющим на изменения, добавился еще один — глобальное изменение климата.
Впрочем, прежде чем говорить о влиянии климата на время, нужно разобраться с двумя типами времени и их несовпадением. Появляются они из разности двух определений:
- астрономическое время определяется через вращение Земли вокруг своей оси; на основе наблюдений этого вращения астрономами создается современный стандарт времени UT1 (о котором вы наверняка даже не слышали);
- другое время опирается на длительность секунды, отсчитываемую атомными часами, — это международный стандарт UTC, главное время планеты.
Когда-то секунда была лишь дробной частью астрономических суток, но в 1967 году Международный комитет мер и весов определил секунду совершенно иначе, без привязки к вращению планеты. Секундой стало «время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».
Решение обосновывалось тем, что колебания этого «атомного маятника» существенно стабильнее, чем вращение планеты, — а значит, лучше подходят для измерения времени. Именно изобретение атомных часов позволило начать точно изучать вращение планеты и находить в нем отклонения — до этого такую возможность рассматривали лишь теоретически. Впрочем, сомнений в том, что реальная длительность астрономических суток может быть не постоянной, не было еще у Иммануила Канта.
В итоге, как это часто бывает, поиски идеального стандарта привели к появлению еще большего числа вариантов и проблемам с их синхронизацией. С переходом на новое определение секунды наиболее естественным способом подсчета времени стал простой подсчет этих секунд, прошедших с начала измерений. Так появилось Международное атомное время (TAI). Оно формируется как усредненное значение показателей разных атомных часов, установленных примерно в 80 исследовательских институтах в разных странах, и никак не зависит от астрономических суток.
Однако полностью отказаться от учета вращения Земли с переходом на новый стандарт секунды было невозможно — люди, в отличие от компьютеров, не умеют оперировать миллионами секунд, им нужно «нормальное» время, связанное с тем, что происходит за окном. Поэтому основой для главного современно стандарта — универсального скоординированного времени UTC — стало гибридное решение. В UTC за основу принята та самая «атомная» секунда, а сутки по-прежнему почти всегда состоят из традиционных 24 часов по 60 минут из 60 секунд.
Почти — но не всегда. Согласно существующим правилам, когда вращение Земли (и, соответственно, астрономическое время UT1) отстает от атомных часов TAI больше, чем на 0,9 секунды, метрологи должны добавить ко времени UTC дополнительную секунду. Либо, наоборот, отнять ее — если Земля ускоряется, а в сутках становится меньше «атомных» секунд. Решение об этом принимает Международная служба вращения Земли и систем отсчета в Парижской обсерватории, а секунду добавляют или не добавляют раз в полгода — 31 декабря или 30 июня.
Всего с 1972 года таким образом накопилось на 27 секунд больше, чем произведение числа прошедших с тех пор дней на 86 400 секунд в сутках. Но вот отнимать секунды до сих пор никогда не приходилось. И это проблема: никто не знает, как формальное уменьшение суток на одну секунду в стандарте UTC повлияет на работу вычислительных систем, но нет сомнений в том, что ошибки могут проявиться в самых разных местах.
При этом необходимость в избавлении от «лишней» секунды неминуемо возникнет уже в ближайшие годы. Если в прошлые десятилетия Земля замедлялась (и именно поэтому накопила 27 секунд положительной разницы), то сейчас этот процесс сменяется обратным явлением — ускорением. Уже в ближайшие годы метрологам почти наверняка придется что-то решать: либо впервые отнимать из года високосную секунду, либо менять правила и допускать большее расхождение между атомным и астрономическим временем, чем допускалось по правилам раньше.
Парадоксальным образом оказывается, что помочь с решением — точнее, отложить необходимость его принятия — может глобальное потепление. На это в начале 2024 года обратил внимание американский геофизик Дункан Карр-Энью в статье в Nature, а теперь подтвердили расчетами авторы публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Если коротко, глобальное потепление замедляет Землю, и это замедление существенно ускорилось в последние десятилетия. А значит, отнимать от года високосную секунду придется не так скоро, как считалось ранее. Это поможет подготовиться к неожиданностям.
Так Земля ускоряется или замедляется? И если потепление существует давно, почему в последние годы скорость вращения планеты росла?
Все, кто когда-либо катался на детской карусели, знают этот странный эффект: если запрыгнуть на уже крутящуюся карусель, то управлять скоростью ее вращения можно будет даже не касаясь земли. Чтобы ускориться, надо подойти ближе к центру, к оси вращения. Если, наоборот, переместиться к краю, то карусель станет вращаться медленнее. Так происходит из-за закона сохранения углового момента (момента импульса) — при изменении распределения массы во вращающейся системе изменяется и скорость ее вращения.
То же самое справедливо и для планеты: скорость ее вращения зависит от распределения массы, и если Земля становится более плоской, то есть сплющенной на полюсах, то такое сплющивание замедляет вращение. Именно этот процесс сопровождает глобальное изменение климата: крупнейшие ледники (такие, как Антарктический и Гренландский ледниковые щиты) тают, а уровень воды в мировом океане повышается. В итоге общий «коэффициент сплющенности» планеты растет — а скорость вращения падает.
На качественном уровне объяснить этот эффект просто, но вот доказать, что он действительно влияет на измеримые параметры вращения Земли, — задача нетривиальная. В том, что это удалось доказать, и состоит главное достоинство статьи, опубликованной швейцарскими исследователями в PNAS.
Основная сложность заключается в том, что наряду с изменением климата на планете происходит много чего другого, что влияет на перераспределение массы и скорость вращения. Даже такая вроде бы незаметная вещь, как устройство (или разрушение) крупного водохранилища, способно влиять на распределение массы планеты (например, подсчитано, что строительство плотины «Три ущелья» на китайской Янцзы увеличило продолжительность дня на 0,06 микросекунды). И все эти факторы влияют на планету одновременно, «двигая» ее скорость то к ускорению, то к замедлению на разных временных масштабах.
Именно поэтому невозможно ответить на вопрос: «Все-таки сейчас она замедляется или ускоряется?» Нужно уточнение — на каком именно временном масштабе мы рассматриваем движение? В течение недели? Года? Десятилетия? Или тысяч лет? На каждый из этих вопросов будет свой ответ.
- Скорость вращения планеты меняется даже ото дня ко дню. Хотя и совсем немного — речь идет о паре десятков микросекунд астрономического времени, на которые один день может быть короче другого. Главная причина этого «шатания» — лунные приливы. На больших временных масштабах все эти колебания сглаживаются, так что в среднем от недели к неделе астрономическое время течет равномерно.
- Сезонные изменения в течение года тоже влияют на астрономическое время, они связаны с попеременным накоплением льда и снега в северном и южном полушариях и приводят к колебаниям продолжительности дня в пределах одной тысячной секунды в каждый из дней. Эти изменения по природе сходны с тем, что несет потепление (и там и там главные виновники — лед и температура), но тоже представляют собой колебания, эффект которых проходит уже на следующий год. Они не накапливаются — и поэтому мало влияют на астрономический календарь на больших масштабах.
- Еще один фактор — это изменения в циркуляции ветров, которые происходят от года к году. Например, знаменитый климатический цикл Эль-Ниньо, в который Земля вошла в середине 2023 года и который подстегивает рост температур на всей планете, тоже способен влиять на среднюю продолжительность дня от года к году. Вообще, движение атмосферы и воды на планете — то, что мы называем погодой, — чуть ли не основной фактор, влияющий на течение астрономического времени на коротких масштабах. Однако в целом это не более чем «шум», который не имеет тренда и периода колебаний и который сложно предсказать.
- На более крупном масштабе — десятков лет — происходит то главное, что затрагивает ведение календарей и метрологию. Например, в начале XX века средняя длина дня была на четыре миллисекунды больше, а в середине XIX-го — на те же четыре миллисекунды меньше, чем стандартные атомные сутки. Отклонения от среднего тоже не то чтобы гигантские, однако они накапливаются — каждый день, каждый год. И это накопление в первую очередь приводит к необходимости введения високосных секунд для согласования времени астрономического и времени атомного. Причины этих декадных колебаний изучены хуже прочих, так как они буквально скрываются в глубине Земли — считается, что это перераспределение массы вызвано взаимодействием ядра с ее мантией.
- Наконец, на самых крупных масштабах — веков и тысячелетий — в игру вступают другие силы. Главная — это снова Луна и действие ее приливов. На масштабе тысячелетий важно не то, что приливы меняют распределение воды на поверхности планеты, а то, что это происходит «не бесплатно», с трением, которое постепенно, но неуклонно тормозит вращение планеты. Это хорошо известный эффект, который должен добавлять в среднем по 2,3 миллисекунды на столетие к длительности дня (не надо забывать — каждого дня).
- Но приливами вековые тренды не исчерпываются. Второй важный фактор — это ледниковая изостатическая корректировка (glacial isostatic adjustment), эффект существенно более простой, чем его название. Это процесс восстановления планетой своей формы после таяния ледников, которые когда-то сплющивали ее полюса. Ледников нет уже десятки тысяч лет, с последнего Ледникового периода, — но Земля до сих пор продолжает процесс округления до «нормального» состояния, а это, как мы помним, ведет к ускорению вращения и укорочению дня. Другими словами, этот эффект противоположен по направлению эффекту лунного трения.
То, что удалось ученым на этот раз, — выделить во всем этом океане причин и следствий, ускорений и замедлений, влияние антропогенного изменения климата. Сделано это было на основе множества работ других климатологов, собиравших и подсчитывавших баланс переноса массы на планете: уровней океана, массы ледников, движения воздушных масс и прочего.
Смоделировав на основе этих данных распределение массы в ходе последнего столетия, ученые сопоставили его с реальным движением планеты. В последние годы эти данные очень точные и широко доступные — движение Земли хорошо изучено благодаря наличию атомных часов и астрономическим наблюдениям. Оказалось, что наблюдения хорошо согласуются с тем, что предсказывает чисто механическая модель переноса массы. Причем главный вклад в длительность суток до сих пор вносило таяние Гренландского ледника, а в ближайшем будущем эту роль примет на себя Антарктический ледовый щит.
Кроме того, из точных наблюдений за тем, что происходило в XX веке, ученым удалось выделить влияние векового тренда, связанного с ледниковой корректировкой, — и это значение тоже, в сочетании с влиянием Луны, совпало с наблюдаемыми данными. Но данные эти были уже не за одно столетие, а за три тысячелетия — удивительно, но благодаря записям древних астрономов о солнечных и лунных затмениях ученые имеют довольно точное представление о том, какова была долгота дня в каком-нибудь 700 году до нашей эры.
Наконец, соединив воедино все эти тренды, а также добавив существующие прогнозы по выбросам парниковых газов, ученые рассчитали, как будет меняться долгота дня уже в XXI веке. Моделирование показывает, что чисто климатический эффект к 2100 году увеличит среднюю продолжительность дня примерно на 2,6 миллисекунды — то есть только из-за климата год станет как минимум на секунду длиннее. Конечно, это не самый страшный эффект глобального изменения климата и у человечества уже есть способы с ним бороться — атомные календари и високосные секунды (при всех их минусах). Однако примечательно, что даже в такой вроде бы отдаленной области, как астрономия и ведение календаря, климатический кризис начинает оказывать свое действие.
- Gross R. S. Earth rotation variations-long period //Treatise on geophysics. — 2007. — Т. 3. — №. 821. — С. 239-294.
- McCarthy D. D., Seidelmann P. K. Time: from Earth rotation to atomic physics. — Cambridge University Press, 2018.
- Почему Земля вращается неравномерно и как это влияет на счет времени. «Природа» № 3, 2021
- Agnew D. C. A global timekeeping problem postponed by global warming //Nature. — 2024. — Т. 628. — №. 8007. — С. 333-336.
Отдел «Разбор»
«Медуза» — это вы! Уже три года мы работаем благодаря вам, и только для вас. Помогите нам прожить вместе с вами 2025 год!
Если вы находитесь не в России, оформите ежемесячный донат — а мы сделаем все, чтобы миллионы людей получали наши новости. Мы верим, что независимая информация помогает принимать правильные решения даже в самых сложных жизненных обстоятельствах. Берегите себя!