Помоги проекту - поделись книгой:
Но затем мы слышим гул, словно отдалённый раскат грома. Испуганные лебеди перестают нырять и начинают суетливо озираться. Журналистка в красной куртке прерывается на середине предложения и поворачивается, чтобы посмотреть на горизонт. И вдруг мы все видим это: облако водной пыли, возникшее высоко в воздухе над поворотом реки, а за ним бурлящую, кипящую стену пены и шоколадно-коричневой воды. Ширина этой стены — 90 метров, от берега до берега. На её гребне виднеются каякеры и сёрферы в мокрых костюмах, которые проехали на огромной волне от самой дельты Северна (кстати, мировой рекорд принадлежит сёрферу по имени Стив Линг, преодолевшему таким образом расстояние 14,9 километра). Перед нами севернский бор, огромная разъярённая приливная волна, движущаяся со скоростью 21 километр в час против течения реки.
Волна быстро приближается и так же быстро уходит, исчезая из нашего поля зрения за следующим поворотом реки. Она движется к Глостеру, где разобьётся о городские доки. Большая часть «пассажиров» движется дальше вместе с рекой. Двое сёрферов, которые столкнулись на гребне волны, сейчас барахтаются в успокаивающихся водах реки вместе с удивлёнными лебедями.
Журналисты складывают оборудование в сумки и коробки, а остальные зрители расходятся по машинам. Все возбуждены, слышен смех. Люди уверены, что только что стали свидетелями одного из чудес природы.
Что такое боры
Севернский бор — одна из примерно 60 приливных волн такого типа в мире.[53] Самый большой и страшный из них возникает на реке Цяньтанцзян в Китае. Весной жуткая волна высотой с трёхэтажный дом движется по реке с такой скоростью, что большинство людей не смогли бы обогнать её даже бегом.[54] Её рокот слышен на расстоянии 22 километров. Лодки на это время вытаскивают на сушу, иначе их просто разобьёт в щепки. Каждый год, несмотря на многочисленные предупреждающие знаки, установленные на берегу, несколько людей подходят слишком близко к воде, и их уносит волной.
Существует несколько условий для появления бора, в первую очередь дельта определённой формы и сильная амплитуда прилива. А дельта Северна, где разница в уровне воды при приливе и отливе составляет 15,4 метра, имеет вторую по величине амплитуду прилива в мире. Быстро поднимающаяся вода попадает в канал, который становится всё уже и мельче, и в какой-то момент скорость воды, движущейся против течения, превышает скорость самого течения. Происходит так называемый гидравлический прыжок, то есть волна поднимается и стремительно движется вверх по направлению к устью. Аналогичный, пускай и статический эффект можно наблюдать у себя на кухне, когда вода из крана бьёт в раковину и распределяется по ней, резко изменяя высоту воды; при этом скорость распределения соответствует скорости прибывающей воды. Цунами нельзя почувствовать, находясь в море, но оно растёт по мере приближения к берегу. Точно так же и севернский бор выглядит лишь лёгким волнением в самой дельте, но растёт и ускоряется по мере продвижения по постоянно сужающемуся каналу.
Самые большие приливные волны такого типа возникают весной и осенью. Дело в том, что севернский бор и его родственники по всему свету — это не что иное, как экстремальные проявления приливной силы, которая весной и осенью достигает своего пика. Так как приливы и отливы возникают под влиянием Луны, следовательно, и севернский бор — это тоже её порождение. Поразительно, что стремительно движущуюся стену воды, которая пугает лебедей и развлекает сёрферов, создало космическое тело, находящееся в 384 000 километров от Глостершира.
Луна в небе кажется такой маленькой, что мы можем легко закрыть её пальцем. Кажется нелепым, что именно в ней кроется причина события, которое мы наблюдали холодным мартовским утром на берегу Северна. Неудивительно, что причины возникновения бора и появления приливов и отливов в целом очень долго оставались тайной для человечества.
Под ударами приливных волн
Нельзя сказать наверняка, когда люди впервые заметили динамику приливов и отливов. Но мы знаем, что наши предки несколько раз покидали Африку и расселялись по миру: 1,8 миллиона лет назад это впервые сделали
Прошло время — много, много времени. Люди изобрели сельское хозяйство, построили города и начали размышлять о явлениях мира, в котором они живут. По воле случая античные цивилизации Запада жили у Средиземного моря, в котором приливы и отливы едва заметны. Население средиземноморских государств не знало о них, и это сыграло злую шутку с Юлием Цезарем, который в 55–54 годах до нашей эры привёл римский флот к берегам Британии.
«В ту ночь было полнолуние, которое обычно вызывает большой прилив в океане, однако нашим людям было неизвестно это обстоятельство. В тот момент приливные волны начали заливать военные корабли, на которых Цезарь перевозил свою армию и которые находились у берега. Ветер же сталкивал грузовые суда, стоявшие на якоре».[56]
«Тебе грозят бедою иды марта», — предупреждал Цезаря перед смертью прорицатель в пьесе Шекспира, хотя лучше бы он посоветовал ему остерегаться мартовских вод. Возможно, тогда бы его флотилия понесла меньший ущерб в Атлантическом океане. Кстати, подобное предупреждение, в принципе, было возможно в то время. Несмотря на то что римляне мало знали о приливах и отливах, их основные характеристики были известны примерно с 330 года до нашей эры, когда греческий астроном и исследователь Пифей сумел добраться на корабле из Средиземного моря, практически окружённого сушей, до Британских островов. Впервые выйдя на судне на простор Атлантического океана, Пифей совершил фундаментальное открытие.[57] Наибольшую силу приливы имеют в новолуние (когда солнечный свет вообще не отражается Луной) и полнолуние (когда Луна полностью освещена Солнцем). Невероятно, но приливы, судя по всему, управляются Луной.
Кстати, факт, что самые высокие приливы возникают при таком расположении Луны и Солнца в пространстве, что Луна либо полностью освещена, либо не освещена вовсе, подсказывает, что и Солнце тоже играет роль в этом процессе. И Пифей это понимал. Участие Солнца также подтверждает то, что более высокие приливы приходятся на весну и осень — два особенных периода в годовом путешествии Земли вокруг Солнца.
Знание ключевых характеристик приливов и отливов — это, несомненно, важный шаг на пути к пониманию причин этого явления. Тем не менее в течение почти двух тысячелетий после Пифея никто даже не приблизился к тому, чтобы разгадать их тайну.
В начале VIII века английский монах и хронист Беда Достопочтенный заметил, что высокие приливы начинались в разных портах, расположенных вдоль побережья Британии, в разное время. Его идея состояла в том, что ландшафт, наряду с Солнцем и Луной, также задаёт определённые характеристики приливов. Это наблюдение подтверждалось отсутствием сильных приливов в окружённом сушей Средиземном море, а также гигантскими приливными волнами в эстуарии Северна.
О силе, которая вызывает приливы, Беда знал не больше своих современников. Он предположил, что Луна сдувает море на берег, а когда она перемещается, её дыхание оказывается слабее, и море возвращается в свои берега. «[Океан] как будто против его воли выталкивают на сушу вздохи Луны, а когда её силы истощаются, он принимает свою обычную форму».
Первую попытку объяснить приливы с научной точки зрения сделал арабский физик и астроном Закария аль-Казвини, живший в XIII веке. По его мнению, приливы возникают из-за того, что Луна и Солнце нагревают океанские воды и те расширяются от точки нагрева. Пускай эта версия и кажется достаточно правдоподобной, она не объясняет, почему именно Луна, а не Солнце играет главную роль в управлении приливами. Приливы, вызываемые Луной, почти в два раза больше тех, которые вызывает Солнце.
В 1609 году Иоганн Кеплер (скорее всего, под влиянием недавнего открытия Уильямом Гилбертом магнитного поля Земли) предположил, что приливы вызывает сила магнитного притяжения, с которой светила действуют на моря. Галилей, хоть и был большим поклонником Кеплера, посчитал это предположение «по-детски глупым». Для него сама мысль о том, что астрономические тела могут воздействовать на Землю на расстоянии, казалась полным оккультизмом. Сам Галилей считал, что приливы вызывает совместное влияние вращения Земли вокруг своей оси и её движения по орбите вокруг Солнца. Из-за таких движений, по его мнению, океаны движутся взад-вперёд.
На самом деле ни у кого из них не было ни малейшего шанса понять, что в действительности вызывает приливы, потому что у них не было для этого необходимого математического инструментария. Не было — пока не появился Ньютон.
Ньютон в одиночку создал систему мира, объединяющую Землю и небеса в единую теоретическую структуру, и открыл закон всемирного тяготения. Он понимал, что этот закон действует на все тела, даже на те, которые находятся вне Солнечной системы. Ньютон внимательно изучил все типы такого воздействия и описал их в своём шедевре — «Началах». Главное место среди подобных воздействий он отвёл приливам.
Приливы и их связь с Луной
При расчёте силы притяжения, с которой Земля влияет на Луну, Ньютон рассматривал всю массу планеты сконцентрированной в одной точке в её центре. Он даже смог доказать это, используя новомодную математику интегрального исчисления. Но такой подход был всего лишь удобным приближением. Разумеется, в реальности Земля гораздо больше точки. Соответственно, какие-то части планеты находятся ближе к Луне, а какие-то — дальше от неё. Приближённая к Луне часть Земли испытывает большее притяжение, чем другие. Ньютон понял, что у этой разницы в значении гравитационного воздействия должны быть серьёзные последствия. В первую очередь они должны затрагивать океаны, потому что вода, в отличие от твёрдой породы, движется свободно.
Представьте себе точку в океане, которая находится прямо напротив Луны. Притяжение Луны сильнее воздействует на воду на поверхности, чем на воду у дна, ведь дно более удалено от Луны. Ньютон понял, что эта разница в притяжении заставляет верхние слои воды двигаться относительно нижних по направлению к Луне.
Но и это ещё не всё. Теперь представьте себе точку в океане на обратной стороне Земли. Здесь притяжение Луны будет сильнее ощущаться на дне, чем на поверхности, ведь оно ближе к Луне. Такая разница в притяжении заставляет нижние слои воды сдвинуться относительно верхних.
Таким образом, в соответствии с предположениями Ньютона, Луна создаёт в земных морях не один, а два сдвига: в точке, приближённой к ней, и в точке, которая от неё максимально удалена.[58]
Но Земля не стоит на месте, а вращается вокруг своей оси. Это значит, что каждые 24 часа океаны и моря проходят через эти две точки. Человеку, который в течение суток находится на морском берегу, будет казаться, что вода дважды за день поднялась и опустилась. Итак, Ньютон объяснил то, что никто не мог объяснить до него: почему приливы случаются два раза в сутки. Разгадка заключалась в законе всемирного тяготения, которое ослабевает по мере увеличения расстояния. До Ньютона о нём просто никто не знал.
Здесь есть одна тонкость, о которой Ньютону было известно. Приливы и отливы повторяются не каждые 24, а каждые 25 часов. Это заметил ещё Пифей в 330 году до нашей эры.
Давайте ещё раз подумаем о Луне. Она не просто висит в небе над одной точкой, пока Земля вращается под ней. Вместо этого она обходит Землю по орбите, двигаясь в том же направлении, в котором поворачивается сама планета. Для того чтобы пройти орбиту полностью, Луне требуется 27,3 суток. Это значит, что наша воображаемая точка, находящаяся прямо под Луной, не окажется под ней через 24 часа. За время одного оборота Земли по своей оси Луна сместится на собственной орбите. Чтобы нужная нам точка снова оказалась прямо под Луной, Земля должна пройти ещё 1/27,3 своего полного оборота, что займёт у неё 1/27,3 от 24 часов, то есть около 53 минут. Соответственно, два прилива произойдут не за сутки, а за 24 часа 53 минуты. Это одна из причин, по которой для расчёта точного времени прилива и отлива в определённой точке побережья требуются подробные таблицы.
Тот факт, что каждый день Луна восходит на 53 минуты позже, а приливы задерживаются на то же время, ещё раз подтверждает связь между ними.
Но почему приливы на Средиземном море практически незаметны? Ответ заключается в географии, а ещё — в морской глубине. По мере вращения Земли два приливных горба смещаются на запад, то есть движутся к Средиземному морю со стороны Индийского океана. Здесь на их пути появляется преграда в виде Ближнего Востока, и океанский горб не попадает в море.
А что происходит в те дни, когда Луна находится прямо над Средиземным морем? В этом случае приливный горб
В учебниках и научно-популярных книгах два приливных горба в океане описываются как нечто огромное, но на самом деле они до смешного малы. Луна поднимает морскую воду максимум на метр, то есть всего на одну миллионную долю радиуса Земли. Но океан велик, и метровый горб, растянутый на большой территории, содержит огромную массу воды. Поэтому, когда такая вода достигает берега, высота волн увеличивается (как в случае с цунами). В открытом море прибой незаметен, а при приближении к суше может вырасти более чем в десять раз.
Приливы и их связь с Солнцем
Как выяснил Пифей, приливы вызывает не исключительно притяжение Луны, а совместное воздействие Луны и Солнца. Причина понятна — эти два небесных тела оказывают на Землю наибольшее воздействие. Луна весит куда меньше Солнца, но находится существенно ближе к Земле и выигрывает за счёт расстояния. Приливы, вызываемые Луной, в два раза больше вызываемых Солнцем. Из этого мы можем заключить, что Луна в два раза плотнее Солнца.[59]
Самые большие приливы возникают, когда силы гравитации Луны и Солнца увеличивают друг друга. Это происходит весной и осенью. Суть в том, что Земля вращается вокруг своей оси, подобно юле, отклоняясь от вертикали на 23,5 градуса. Следовательно, и орбита Луны тоже наклонена.[60] С точки зрения геометрии это означает, что Луна и Солнце находятся на одной линии и совместно воздействуют на земные океаны с максимальной силой лишь в те моменты, когда Земля находится на своей орбите между зимой и летом, то есть осенью и весной.
Для такого построения Солнце и Луна должны оказаться на одной стороне от Земли (тогда наступает новолуние, потому что Луну закрывает тень) или на противоположных сторонах (тогда Солнце освещает Луну полностью и наступает полнолуние). Вот почему самые сильные приливы и высокие боры на Северне наблюдаются осенью и весной, когда в небе либо сияет полная Луна, либо Луны нет вовсе.[61]
Луна и Солнце вызывают приливный эффект не только в океанах, но и на всей планете. Но каменные породы куда более твёрдые, чем вода, поэтому сила притяжения воздействует на них меньше, а увидеть её влияние очень сложно. Примечательно, что такие приливы на Земле были впервые замечены (пускай и не поняты) ещё в античные времена.
Приливы на суше: колодцы и ручьи
Приливы — довольно странное явление. Они происходят дважды за 25 часов, а не за 24, они изменяются в зависимости от времени года и фаз Луны. Кроме того, они зависят от ландшафта. Но есть и ещё одна характеристика приливов, впервые отмеченная греческим философом Посидонием, которая кажется более удивительной, чем все остальные.
Посидоний жил между 135 и 51 годами до нашей эры и наблюдал за приливами в Атлантическом океане на побережье Испании. Кроме того, он обращал внимание и на воду в колодцах и заметил кое-что необычное. Когда вода в океане поднимается, родниковая вода уходит ниже под землю, и наоборот. Оригиналы записей Посидония утрачены, но греческий географ Страбон, живший в начале нашей эры, упоминает о них в своей «Географии»: «В [храме] Геракла в Гадесе [Кадисе] есть источник, к которому можно спуститься по нескольким ступеням (вода в нём хороша для питья). Этот источник действует противоположно движению моря: во время прилива его воды опадают, а во время отлива он вновь наполняется».
Что может заставить воду в небольшом роднике или ручье двигаться в ином направлении, чем в морях и океанах? В то время на этот вопрос невозможно было ответить, потому что причина приливов оставалась загадкой. Ответ нашёлся лишь в 1940 году благодаря американскому геофизику по имени Хаим Лейб Пекерис.[62]
Прилив можно определить не просто как движение воды, но как изменение формы одного тела под влиянием притяжения другого. При формировании приливного горба притяжение Луны воздействует не только на поверхность океана, но и на воду под ней, и на дно. Вот только горб на твёрдой поверхности оказывается гораздо меньше, так как каменные породы куда плотнее. Итак, каждые 25 часов где-то на Земле образуется бугор суши, который через некоторое время разглаживается.
Теперь представим, что порода, в которой вырыт колодец, имеет пористую структуру и впитывает воду. Это вполне возможно, ведь раз люди выкопали колодец, значит, где-то поблизости есть вода. Окружающая колодец порода похожа на пропитанную жидкостью губку. И, как и губка, она впитывает в себя воду при растяжении и выжимает её при сжатии.
И камни, и морская вода растягиваются при приливе и сжимаются при отливе. Соответственно, во время прилива уровень воды в колодце снижается, а во время отлива — повышается. Именно это явление и наблюдал Посидоний и через 2000 лет объяснил Пекерис.
Каменные приливы и БАК
Позвольте мне привести ещё один пример того, как приливы возникают и в твёрдой материи, на этот раз более высокотехнологичный и современный. В ЦЕРНе, Европейской лаборатории физики элементарных частиц, расположенной около Женевы, субатомные частицы разгоняют до огромных скоростей в подземном тоннеле, длина окружности которого составляет 26,7 километра. Пока наверху мирно пасутся коровы, всего в 100 метрах под ними с невероятной силой сталкиваются мельчайшие строительные блоки материи. Кинетическая энергия изначальных частиц превращается в энергию массы частиц новых, которые появляются из вакуума, точно кролик из шляпы фокусника.[63] Всю субатомную шрапнель, разлетающуюся от места столкновения, регистрируют огромные детекторы. Именно в этом субатомном «мусоре» в июле 2012 года и был найден бозон Хиггса (частица поля Хиггса, наделяющего все прочие субатомные частицы массой).
Бозон Хиггса был открыт благодаря Большому адронному коллайдеру, в котором пучки протонов движутся по кольцу навстречу друг другу на скорости, равной 99,9999991% скорости света.[64] БАК располагается в кольцевом тоннеле, где раньше находился другой ускоритель частиц — Большой электрон-позитронный коллайдер, в котором электроны сталкивались со своими античастицами (позитронами). Именно во время использования БЭПК в 1992 году физики заметили, что с энергией пучков частиц происходит что-то необычное.[65]
Более 3000 электромагнитов, расположенных по окружности БЭПК, направляли электроны и позитроны, постоянно искривляя их путь и не давая им по инерции лететь прямо. Однако физики, работавшие на БЭПК, отмечали, что каждые 25 часов частицы несколько отклонялись от своего пути, а затем снова возвращались на него. Для того чтобы пучки не вырвались за пределы кольца, учёным приходилось постоянно компенсировать это отклонение, медленно увеличивая энергию частиц, а затем снова её уменьшая. Изменение было крошечным, всего на 0,01%.
Из-за чего частицы могли бы отклоняться от своей траектории с такой периодичностью? После некоторых размышлений учёные нашли ответ. Приливы и отливы возникают дважды каждые 25 часов. Удивительно, но, судя по всему, явление, наблюдаемое в БЭПК, было с ними связано.
Два раза за каждые 25 часов в породе, внутри которой находился БЭПК, образовывался приливный горб. Растяжение породы заставляло кольцо сжиматься. Затем горб исчезал, сжимая породу и расширяя БЭПК. Земля поднималась вверх на каких-то 25 сантиметров (это примерно длина книги, которую вы сейчас читаете), и это уменьшало длину окружности БЭПК почти на миллиметр.[66] Тем не менее этого было достаточно, чтобы учёным потребовалось периодически корректировать энергию частиц примерно на 0,01%, иначе они бы вырвались из кольца.[67]
Разумеется, данный эффект ощущался сильнее при полной Луне и в новолуние, когда Луна и Солнце оказывались на одной линии и усиливали влияние друг друга на Землю. Сложно представить себе более технологичное проявление приливной силы на суше.[68]
Лунотрясения
Но не только земные породы могут испытывать растяжение и сжатие. То же самое происходит и на Луне. На самом деле Земля вызывает на Луне куда более сильные приливы, чем Луна на Земле, потому что масса нашей планеты примерно в 81 раз больше массы её спутника. Соответственно, и приливная сила на Луне должна быть в 81 раз больше. Но, как мы помним, приливы вызывает не притяжение само по себе, а разность притяжений. Диаметр Луны равен примерно четверти диаметра Земли. Такое короткое расстояние означает, что разница в гравитации имеет в четыре раза меньше возможности проявить себя. Итак, сила, с которой Земля воздействует на Луну, вызывая растяжение, больше той, с которой Луна воздействует на Землю, не в 81, а примерно в 20 раз.[69] Тем не менее и этого достаточно для растяжения породы примерно на десять метров.
Мы представляем себе Луну холодной и безжизненной. Кажется, будто ничто на её серой, покрытой кратерами поверхности никогда не изменялось. Но раз на Луну действуют силы сжатия и растяжения, значит, она вовсе не похожа на неподвижную пустыню. Задолго до изобретения телескопа люди замечали на Луне странные огни, которые зажигались каждые несколько месяцев. Одно из самых ранних наблюдений было сделано 18 июня 1178 года, когда пятеро монахов из Кентербери заявили, что были свидетелями взрыва на Луне. Эти загадочные огни, называемые ещё кратковременными лунными явлениями (КЛЯ), представляют собой одну из главных тайн Луны.
КЛЯ, наблюдаемые в эпоху телескопов, имеют ряд общих черт. Они локализованы и слегка превышают предел разрешающей способности человеческого глаза, то есть их площадь составляет не менее одного квадратного километра. Они длятся от минуты до нескольких часов и делают поверхность Луны то ярче, то тусклее. Перед исчезновением некоторые из них меняют свой цвет на рубиново-красный.
Долгое время многие астрономы были уверены, что КЛЯ существуют только «в глазах смотрящего» и не имеют отношения к Луне как таковой. Но в 2002 году Арлин Кроттс из Колумбийского университета в Нью-Йорке проанализировал записи о 1500 таких явлений и выяснил, что КЛЯ чаще всего возникают в шести местах на Луне: половина в кратере Аристарх диаметром 45 километров, а четверть — в 100-километровом кратере Платон.[70]
Во всех этих местах лунная кора была жестоко деформирована либо из-за удара метеорита или кометы, произошедшего в течение последней сотни миллионов лет, либо в результате более сильного воздействия, которое имело место 3,8 миллиарда лет назад и заставило лаву выплеснуться на поверхность и сформировать лунные моря.[71]
Сейсмометры, установленные на Луне членами экипажей всех «Аполлонов», кроме одного, зарегистрировали уже несколько сотен лунотрясений, которые случаются тем чаще, чем сильнее приливное воздействие Земли. Большинство очагов лунотрясений располагается по периметрам морей, там, где порода наиболее деформирована. Кроме того, «Аполлон-15», «Аполлон-16» и зонд «Lunar Prospector», облетевший Луну по орбите в 1998 году, регистрировали случайные выбросы радиоактивного газа радона-222, происходившие исключительно в шести зонах КЛЯ.
Радон-222 представляет собой продукт распада урана, входящего в состав глубинных лунных пород. Кроттс предположил, что КЛЯ возникают, когда из-за лунотрясения газ вырывается на поверхность через трещины в лунной коре. Газ находится под давлением и выбивает часть лунного грунта (реголита) вверх, как пробку из бутылки.
Кроттс считает, что всего полутонны газа, вырывающегося в вакуум, будет достаточно для того, чтобы пробить реголит и создать облако диаметром пару километров, которое рассеется за 5–10 минут. Газовое облако либо отбрасывает тень на область под ним, либо светится, потому что частицы пыли в нём отражают больше света, когда они рассеяны в вакууме, а не лежат на поверхности Луны. Также возможно, что трение частиц наделяет их положительными и отрицательными зарядами, между которыми в какой-то момент возникает разряд вроде молнии. Такой разряд даёт энергию атомам газа, от чего они начинают излучать характерный красный свет.
По расчётам Кроттса, из-за периодического растягивания и сжатия Луны под влиянием притяжения Земли ежегодно перемалывается около 100 000 тонн породы. Столько весит целый авианосец. В процессе такого перемалывания в космос выбрасывается около 100 тонн газа.
Это предположение имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Мы планируем и дальше отправлять людей на Луну. «Аполлон-18», запуск которого был отменён, должен был совершить посадку как раз в одной из зон КЛЯ. Если бы КЛЯ произошло, астронавты оказались бы в большой опасности. Представьте себе такую картину: 20 июля 2025 года, кратер Аристарх, ближняя сторона Луны. Ровно через 56 лет после «Аполлона-11» космический корабль NASA «Альтаир-2» сел на поверхность Луны. Через несколько часов после этого астронавты совершают первые шаги по Луне — впервые почти за полвека. Внезапно дно кратера начинает пульсировать и из него вырывается газ, поднимая вверх огромный столб пыли. Сбитые с ног взрывом астронавты поднимаются и смотрят на место своей посадки. Корабля там больше нет — он исчез в клубах серебристой пыли.
Если Кроттс прав, то Луна — гораздо более опасное место для людей, чем мы предполагали. И это объясняется с помощью ньютоновской теории приливов.
Раз лунотрясения возникают под влиянием приливной силы Земли, то логично было бы предположить, что Луна играет какую-то роль в землетрясениях. Но, судя по всему, это не так, по крайней мере не в случае больших катаклизмов. Однако удивительно, что толчки после разрушительного землетрясения 22 февраля 2001 года в Крайстчерче, Новая Зеландия, коррелировали с расположением Луны на небе.[72] Возможно, после сильного удара обломки породы были нестабильны и, для того чтобы привести их в движение, оказалось достаточно даже самого небольшого воздействия.
Как замедлить Луну
Приливы и отливы на Земле и на Луне не просто изменяют форму каждого из небесных тел, вызывая колебания уровня воды в земных океанах и лунотрясения. Они также имеют огромные последствия для системы Земля–Луна в целом. Когда-то Луна вращалась вокруг своей оси быстрее, чем сейчас. Однако под влиянием приливных сил Земли её движение замедлилось.
Когда Луна вращалась быстрее, приливный горб, возникавший под влиянием Земли, двигался вместе с ней и не находился прямо напротив нашей планеты. Земная гравитация оттягивала его назад, и ход Луны затормаживался. В какой-то момент Луна начала вращаться вокруг своей оси так медленно, что делала лишь один оборот за время прохождения земной орбиты.
Именно так дело обстоит и сейчас. Одна сторона Луны, ближняя, всё время смотрит на Землю, в то время как дальняя сторона никогда не поворачивается к нам. Человечество впервые увидело её только 7 октября 1959 года, когда советский лунный зонд «Луна-3» пролетел над ней.[73]
Из-за синхронного обращения Луны приливный горб, появившийся под влиянием Земли, теперь направлен в её сторону. Поскольку теперь Луна не тащит его за собой при движении, гравитация Земли, ранее тянувшая горб назад, замедляя ход Луны, больше не влияет на её вращение. Луна оказалась зафиксированной в таком положении, как только период её вращения вокруг своей оси совпал с её орбитальным периодом.
Как замедлить Землю
Приливные силы замедляют движение не только Луны. Скорость вращения Земли тоже уменьшается из-за них. Этот эффект менее заметен, чем на Луне, так как Земля гораздо массивнее, а значит, лучше сопротивляется попыткам изменить её движение. Представьте себе приливный горб в океане на той стороне Земли, которая смотрит прямо на Луну. Так как Земля вращается быстро, такой горб будет обгонять линию, соединяющую нашу планету со спутником.[74] Сила притяжения Луны начнёт оттягивать приливный горб назад, замедляя движение Земли.
Из этого неизбежно следует вывод, что раньше Земля вращалась быстрее. И у этого предположения есть доказательство. Как ни странно, оно заключается в кораллах. Эти морские организмы, часто встречающиеся в тропических морях, выделяют карбонат кальция, из которого формируют свой твёрдый внешний скелет. Ежедневный и ежесезонный рост их внешнего скелета можно проследить по слоям карбоната кальция, примерно как динамику роста дерева можно понять по годовым кольцам. Посчитав количество колец у коралла, можно определить, сколько дней было в том или ином году. Ископаемые кораллы, жившие примерно 350 миллионов лет назад, показывают, что в то время год состоял из 385 дней. Раз длительность года, то есть периода времени, необходимого Земле, чтобы обогнуть Солнце по орбите, не изменилась, значит, 350 миллионов лет назад день длился менее 23 часов.[75]
Увеличение суток всего на час за 350 миллионов лет означает, что Земля лишь слегка замедлила свой ход. Но этот процесс неумолимо продолжается. Например, мы знаем, что день сегодня на 1,7 миллисекунды дольше, чем был век назад. Мы даже можем с уверенностью сказать, что в течение последних 2,5 тысячи лет день увеличивался на 1,7 миллисекунды каждые 100 лет. Удивительно, но подтверждение этому учёные нашли в вавилонских глиняных табличках.[76]
Вавилонские астрологи заносили в такие таблички данные о полных солнечных затмениях. Во время такого затмения Луна полностью закрывает солнечный диск и Земля на некоторое время погружается во мрак посреди дня. Большинство табличек было обнаружено в XIX веке крестьянами, которые искали кирпичи для строительства. Таблички были проданы собирателям древности в Багдаде, находившемся в 85 километрах от того места, где когда-то стоял Вавилон. Оттуда они попали в Британский музей в Лондоне (сегодня он может похвастаться почти полной коллекцией). На многих табличках указано точное время солнечных затмений.
И вот здесь возникает загадка.
Например, астролог, живший в 136 году до нашей эры, записал, что в 08:45 утра 15 апреля весь Вавилон погрузился во мрак, потому что Луна на некоторое время оказалась перед Солнцем. Казалось бы, у нас нет оснований не верить его записям. Но если современные астрономы с помощью компьютерного моделирования отмотают время назад, то окажется, что полное солнечное затмение 15 апреля 136 года до нашей эры не должно было быть видно из Вавилона. Земля, Солнце и Луна не выстроились в одну линию на этой долготе. «Зоной полного затмения» был бы остров Майорка, расположенный на 48,8 градуса западнее Вавилона.
Разница 48,8 градуса равняется примерно 1/8 полного оборота Земли, то есть 3,25 часа. Судя по всему, во время полного солнечного затмения 15 апреля 136 года до нашей эры Земля была на 1/8 своего полного оборота сдвинута к востоку. Этому может быть только одно объяснение. За последнюю тысячу лет Земля начала вращаться медленнее. С 136 года до нашей эры прошло около миллиона дней, так что, даже если дни в то время были на долю секунды короче сегодняшних, эти доли в совокупности могут объяснить расхождение во времени на 3,25 часа. В 500 году до нашей эры день должен был быть на 1/20 секунды короче, чем сегодня, и каждые 100 лет должен был увеличиваться на 1,7 миллисекунды. Это единственное объяснение записи на глиняной табличке.
Поразительно, что линии на глиняной табличке, нанесённые представителями древней цивилизации, могут содержать такую точную астрономическую информацию и что такие важные сведения зависели от того, сойдутся ли Луна и Солнце на одной линии в небесах. При таком их расположении возникает своего рода пояс затмения, имеющий не более 250 километров в ширину. Полные затмения в каждой конкретной точке планеты наблюдаются крайне редко. Так что, если античный учёный наблюдал затмение с определённого места, современным астрономам не обязательно знать точную дату, чтобы его идентифицировать. Значения времени ±20 лет будет достаточно.
Здесь в истории возникает новый поворот. Небольшие изменения формы орбит, по которым движутся искусственные спутники, вызываемые приливным горбом Земли, показывают, что замедление нашей планеты должно увеличивать день не на 1,7, а на 2,3 миллисекунды раз в 100 лет. Значит, на вращение Земли должно влиять что-то ещё. Оказалось, что это что-то связано с последним ледниковым периодом, который закончился около 13 000 лет назад.
Во время ледникового периода на Землю давил огромный вес ледяных покровов, которые немного сплющивали планету с полюсов. Когда льды начали таять, земля под ними стала подниматься. Этот процесс длится по сей день, делая Землю более округлой. Соответственно, планета начинает вращаться быстрее, как конькобежец, прижавший руки к бокам. Из-за этого день сокращается примерно на 0,5–0,6 миллисекунды за век, и именно из-за этого удлинение суток составляет не 2,3, а всего 1,7 миллисекунды каждые 100 лет.
В долгосрочной перспективе Земля под влиянием Луны может замедлиться настолько, что одна её сторона будет постоянно повёрнута к Луне, как сегодня одна сторона Луны повёрнута к Земле. Если это произойдёт, то на одной половине Земли Луна останется видимой, а на другой исчезнет. Расчёты показали, что такое событие станет возможным, когда Земля замедлится настолько, что будет поворачиваться вокруг своей оси всего один раз за 47 современных дней.
Для достижения такого результата Земля должна замедлять своё движение более десяти миллиардов лет. К этому моменту запасы водорода в солнечном ядре иссякнут, Солнце превратится в красного гиганта и либо сожжёт, либо поглотит и Луну, и Землю. Так что Земля, в отличие от Луны, никогда не окажется зафиксированной в такой позиции. Ей просто не хватит на это времени. Тем не менее в космосе есть другие системы, в которых подобное произошло. Вращающиеся одна напротив другой бинарные звёзды влияют друг на друга именно таким образом и всегда обращены друг к другу только одной стороной. Есть и более близкий нам пример — Плутон и его спутник Харон, зафиксированные именно так.
Луна: попытка к бегству
Приливное влияние Луны на Землю замедляет движение нашей планеты, уменьшая её вращательный момент. Существует фундаментальный принцип физики, называемый
Притяжение Луны создаёт два приливных бугра с двух сторон Земли, но тот, который возникает на той же стороне, что и Луна, притягивает её с наибольшей силой. Как мы уже знаем, этот приливный бугор обычно обгоняет Луну на её орбите, потому что Земля делает оборот вокруг своей оси быстрее, чем её обходит Луна. Поэтому гравитация Земли тащит Луну вперёд по её орбите, придавая ей ускорение.
Обратите внимание, что сила притяжения Земли на расстоянии до Луны имеет именно такое значение, какое необходимо, чтобы изогнуть траекторию тела, движущегося с лунной скоростью, и придать ей форму замкнутой орбиты, которую мы и наблюдаем. Соответственно, если Луна будет двигаться слишком быстро, её скорость превысит необходимую и она вылетит за орбиту. В отношении Земли «за орбиту» означает вверх, а мы знаем, что, если подбросить тело (к примеру, мяч) вверх, гравитация замедлит его полёт. Парадоксальным образом Луна, ускоренная приливным взаимодействием с Землёй, движется медленнее при удалении от Земли. Из-за этого вращательный момент увеличивается до необходимого значения.[77]
И это не просто теоретические рассуждения. Пилотируемые американские космические корабли «Аполлон-11», «Аполлон-14» и «Аполлон-15», а также беспилотные советские аппараты «Луноход-1» и «Луноход-2» оставили на лунной поверхности рефлекторы. Эти зеркала размером с кулак называют ещё угловыми отражателями, и они умеют отражать свет ровно в том направлении, откуда он исходит. То есть можно направить лазерный луч на Луну, чтобы он отразился от углового отражателя, а затем измерить время его возврата на Землю. Зная скорость света, можно легко рассчитать расстояние до Луны.[78]
Эксперименты показывают, что каждый год расстояние, которое проходит отражённый от Луны луч, увеличивается на 3,8 сантиметра.[79] Иными словами, каждые 12 месяцев Луна отдаляется от Земли на расстояние, примерно равное длине большого пальца руки. Если вам 70 лет, за вашу жизнь она прошла путь, равный длине автомобиля.
Наблюдение полных затмений
Тот факт, что каждый год Луна удаляется от Земли на 3,8 сантиметра, означает, что когда-то она была гораздо ближе к нам. А это, в свою очередь, влияло на возникновение полных затмений — одного из самых потрясающих природных явлений.
Как мы уже знаем, полное затмение наступает, когда Луна проходит между Землёй и Солнцем, закрывая солнечный диск и отбрасывая тень на Землю. Полное затмение возможно потому, что Солнце, хотя оно и больше Луны в 400 раз, находится от нас в 400 раз дальше. Вот почему Солнце и Луна кажутся нам на небе равными по размеру. Для нас это очень удачное обстоятельство. Несмотря на то что в Солнечной системе существует более 170 лун, ни с одной планеты невозможно наблюдать полное затмение. Более того, нам повезло не только с местом, но и со временем.
Поскольку Луна отдаляется от Земли, в прошлом она казалась больше, а в будущем будет становиться меньше. Судя по всему, первые полные затмения начались около 150 миллионов лет назад, а ещё через 150 миллионов лет их не будет вовсе. Наблюдать полные затмения жители Земли могут только в течение небольшого срока её существования. К примеру, во времена динозавров их ещё не было.
Тот факт, что Луна удаляется от Земли, а в прошлом располагалась ближе к ней, прекрасно сочетается с теорией о её происхождении.
Планета, которая преследовала Землю
Луна слишком велика по отношению к Земле, а её диаметр равен примерно четверти диаметра нашей планеты. Все прочие луны в Солнечной системе кажутся крошечными рядом со своими планетами. Кроме Плутона, луна которого ещё больше по отношению к его размерам, но с 2006 года Плутон перестал считаться планетой.
Такой размер Луны намекает нам, что и происхождение у неё было необычным. Учёные предполагают, что 4,55 миллиарда лет назад, когда наша планета только сформировалась, она столкнулась с небесным телом массой, примерно равной массе Марса (сегодня эту гипотетическую планету называют Тейей). Внутренние слои Земли превратились в жидкость, а часть её мантии выплеснулась в вакуум. Вокруг нашей планеты образовалось кольцо, похожее на те, которые опоясывают газовые гиганты в Солнечной системе. Из этого кольца быстро сформировалась Луна, орбита которой в то время находилась в десять раз ближе к Земле. После этого Луна начала постепенно отдаляться от нашей планеты.
Подтверждение теории Большого всплеска было найдено в ходе американской космической программы «Аполлон», благодаря которой мы знаем, что состав Луны схож с составом внешней мантии Земли. Кроме того, лунные породы содержат куда меньше воды, чем самые сухие земные скалы. Это подтверждает, что когда-то они подверглись воздействию высоких температур. Вопрос только вот в чём: чтобы тело с массой Марса не разрушило всю нашу планету, а всего лишь создало Луну, оно должно было пройти по касательной к Земле на очень небольшой скорости. Однако все космические тела, движущиеся по орбитам вокруг Солнца (как в пределах земной орбиты, так и вне её), слишком быстры для этого.
Теория Большого всплеска будет работать только в том случае, если Тейя когда-то находилась на той же орбите, что и Луна. Она могла сформироваться из обломков в стабильной точке Лагранжа, то есть в 60 градусах перед Землёй или за ней на орбите вокруг Солнца.[80] Сегодня такие же обломки астероидов движутся по орбите Юпитера в 60 градусах перед ним и за ним, так что Юпитер кажется плывущим в Саргассовом море. Если верить теории Большого всплеска, Тейя миллионы лет преследовала Землю, а затем перешла на другую орбиту, что и вызвало столкновение.
Поскольку сила притяжения тела ослабевает с квадратом расстояния от него, приливные силы, которые объясняются разницей в притяжении, уменьшаются с кубом расстояния. Недавно сформировавшаяся Луна находилась примерно в десять раз ближе к Земле, чем сейчас, а значит, приливная сила, с которой она влияла на Землю, была в 103 = 1000 раз больше, чем сейчас. В то время Земля ещё не имела океанов, но если бы они были, воды в них дважды в день поднимались бы не на пару метров,
Поделиться книгой: