Система "Земля-Луна": лаборатория приливов

Пятая сила

Вернемся вновь к приливам на Земле. Мысль о том, что морские приливы, обегая Землю в направлении, противоположном ее вращению, и встречая препятствия в виде материков и мелководья, могут тормозить вращение Земли, высказал еще в 1754 году И.Кант. Проверить это можно было бы, измеряя, как меняется со временем продолжительность суток. Но для этого необходимы очень точные часы, которых в 18 веке не было. Правда, еще в 1695 году Э.Галлей, проанализировав древние и современные ему солнечные затмения, заподозрил, что угловая скорость движения Луны увеличивается по отношению к скорости вращения Земли. Дальнейшие наблюдения подтвердили это, но, как мы теперь понимаем, в действительности не Луна ускоряет свой бег, а Земля замедляет свое вращение.

Приливные горбы на поверхности Земли увлекают Луну вперед по орбите. Однако при этом радиус ее орбиты увеличивается и в результате угловая скорость Луны уменьшается. Те же приливные горбы тормозят вращение Земли, причем угловая скорость Земли уменьшается быстрее, чем угловая скорость Луны. Поэтому при измерении скорости обращения Луны относительно вращения Земли (которое до недавних пор играло роль часов) нам кажется, что Луна ускоряет свое движение. Вот почему астрономы все же говорят о вековом ускорении Луны под действием приливного трения.

Достаточно точные механические, а затем и электронные часы были созданы лишь в первой половине 20 века, и с их помощью действительно было обнаружено систематическое удлинение земных суток на величину крайне малую - всего лишь на 0,0015 секунды за 100 лет. Но за последние 2000 лет Земля "отстала" от идеальных часов на 3 часа - это вполне можно заметить по отличию мест на Земле, где происходили исторические солнечные затмения, от результатов расчетов по эфемеридному времени, которые и проделал Э.Галлей.

Итак, под действием приливного трения изменяется как период вращения Земли, так и период обращения Луны. Можно ли рассчитать эти изменения в прошлом и будущем?

Известно, что сейчас приливные горбы смещены относительно направления на центр Луны примерно на 2 градуса. Эта величина называется углом запаздывания приливов и является важнейшей характеристикой приливного трения. Она определяет скорость торможения Земли и характер эволюции орбиты Луны. Если предположить, что угол запаздывания всегда был и останется таким же, как сейчас, то расчет динамики системы "Земля-Луна" приводит к следующим результатам.

В будущем Луна будет продолжать удаляться от Земли. Через 5 миллиардов лет радиус ее орбиты достигнет максимального значения - 463 тысячи километров, а продолжительность земных суток станет составлять 870 часов. В этот момент скорости вращения Земли и Луны станут равными: Земля будет смотреть на Луну одной стороной, так же как Луна сейчас смотрит на Землю. Казалось бы, приливное трение при этом должно исчезнуть. Однако солнечные приливы будут продолжать тормозить Землю. Но теперь уже Луна будет опережать вращение Земли и приливное трение начнет тормозить ее движение. В результате Луна станет приближаться к Земле, правда, очень медленно, так как сила солнечных приливов невелика.

В прошлом Луна была ближе к Земле, чем сейчас. Расчеты показывают, что примерно 2 миллиарда лет назад Луна находилась от нас на расстоянии всего лишь 3 земных радиусов. Нетрудно подсчитать, что приливы на Земле в ту пору достигали высоты несколько километров. А поскольку период суточного вращения Земли был тогда около 3 часов, можно представить себе, какую разрушительную силу несли эти приливы. Что было еще раньше, сказать трудно. Формальные расчеты говорят о том, что 3-4 миллиарда лет назад Луна вращалась в направлении, обратном суточному вращению Земли. Приливное трение тормозило ее, и Луна приближалась к Земле. Одновременно увеличивался наклон лунной орбиты к земному экватору. В период наибольшего сближения, 2 миллиарда лет назад, орбита Луны стала полярной, после чего вращение сменилось на прямое.

Сейчас Луна удаляется от Земли. В дальнейшем, как мы уже знаем, это удаление прекратится и она вновь начнет приближаться к Земле. Разумеется, временная шкала описанных процессов может измениться, если окажется, что угол запаздывания приливов не является постоянной величиной, но принципиальных изменений ожидать трудно, во всяком случае в прогнозе на будущее.

Для проверки астрономических расчетов желательно найти независимые методы. Например, можно ли узнать продолжительность суток в далеком прошлом? Оказалось, это не так уж сложно. Палеонтологи обнаружили ископаемые колонии цианобактерий - строматолиты (внешне они напоминают коралловые постройки), которые образовались сотни миллионов лет назад. Как и у современных кораллов, их рост происходил с разной скоростью: в течение дня они росли в одном темпе, в течение ночи - в другом, и в одном темпе летом, в другом - зимой. В результате на отполированной поверхности их среза остаются отметки, очень похожие на кольца деревьев, которые отмечают дни и ночи.

В 1963 году американский палеонтолог Джон Вест Уэллс тщательно изучил эти ископаемые строматолиты и подсчитал, сколько тонких - суточных - отметок приходится на каждую грубую - годовую - отметку. Оказалось, что в начале юрского периода (180 миллионов лет назад) год состоял примерно из 385 суток, в силурийский период (400 миллионов лет назад) в году содержалось почти 400 суток, а в кембрии (500-600 миллионов лет назад) год продолжался 420-425 суток. Поскольку длительность самого года не могла заметно измениться за это время, остается признать, что в кембрийский период сутки продолжались всего 20,6 часов. К сожалению, этот метод не позволяет проникнуть в еще более далекое прошлое Земли: хотя найдены строматолиты возрастом до 3,5 миллиардов лет, образовавшие их бактерии в эпоху докембрия были существенно иными (прокариоты, в отличие от более поздних эукариотов) и не оставляли суточных отметок. Но и того, что поведали нам строматолиты о замедлении вращения Земли, достаточно, чтобы убедиться в принципиальной верности астрономических расчетов и уточнить некоторые их детали.

Владимир Георгиевич Сурдин, 2002 год