Атомные часы в сочетании с точными астрономическими измерениями позволили установить, что длина суток внезапно начала увеличиваться. Такие изменения могут иметь критическое значение для многих современных технологий, включая GPS.
В последние несколько десятилетий вращение Земли вокруг оси ускорялось — так, в июне 2022 года был зафиксирован самый короткий день за последние пятьдесят лет (когда вообще стали возможными замеры с такой точностью). Но сглаженная тенденция после усреднения колебаний говорит об обратном: с 2020 года тренд ускорения сменился на замедление — и астрономы и геофизики не знают, почему.
Хотя часы в компьютерах и гаджетах указывают, что в сутках содержится ровно 24 часа, время, за которое Земля совершает оборот вокруг оси, от суток к суткам немного различается. Эти изменения могут проявляться как на шкале в миллионы лет, так и практически мгновенно — например, на вращение Земли может повлиять сильное землетрясение или даже шторм. Таким образом, ровно 86 400 (24 x 60 x 60) секунды в сутках — это очень редкое событие.
В течение геологической истории, то есть на временной шкале в миллионы и миллиарды лет, вращение Земли постепенно замедляется из-за приливного взаимодействия с Луной. Сутки удлиняются примерно на 2,3 миллисекунд каждое столетие. Несколько миллиардов лет назад сутки на Земле длились всего 19 часов.
Но в последние 20 тысяч лет набирает силу другой процесс, наоборот, ускоряющий вращение. После окончания последнего ледникового периода происходит постоянное таяние ледяных шапок в полярных зонах. При этом уменьшается давление ледяной массы на земную кору. Как следствие, вещество Земли как бы «перетекает» от низких широт к полюсам. Такое явление для земной коры называется изостазией. Она проявляется, например, в том, что Скандинавия постоянно поднимается со скоростью несколько миллиметров в год. Этот эффект можно представить себе на примере деревянного бруска в воде, на котором лежал грузик. Если убрать грузик, брусок немного всплывёт и займёт другое положение равновесия, при котором его (уменьшившийся) вес будет уравновешиваться силами Архимеда. Брусок — это земная кора, которая «плавает» в вязкой верхней части мантии (астеносфере). «Грузик» на бруске — это как раз массы льда, которые самоликвидировались в результате климатических изменений. Этот процесс продолжается сейчас, имея характерные масштабы времени в тысячи или десятки тысяч лет. Но если масса вещества Земли перетекает от экватора к полюсам, это уменьшает момент инерции Земли, соответственно ускоряет вращение. Чаще всего это явление объясняют примером балерины или фигуриста на льду, которые вертятся вокруг оси с раскинутыми в стороны руками. Если прижать руки к корпусу, скорость вращения ощутимо увеличится. Такой процесс на Земле укорачивает сутки на 0,6 миллисекунд за столетие.
Кроме таких крупномасштабных по времени изменений, действуют и другие факторы, вплоть до изменения климата и погоды. Они могут изменять скорость вращения Земли и в сторону ускорения, и замедления. Так, приливные вариации следуют приливным циклам разной длительности — основные здесь, к примеру, месячный (лунный) и двухнедельный циклы. А кроме этого, есть факторы океанских течений, сезонных снегопадов и дождей, перемещения подземных вод и т.д.
С 1960-х годов радиоастрономы разрабатывают технологии одновременного наблюдения квазаров с разных точек Земли. Благодаря этим измерениям у нас в распоряжении есть сверхточные оценки скорости вращения. Сравнение этих измерений с данными атомных часов как раз и показало, что в последние несколько лет сутки (на первый взгляд) сокращались. Но если убрать эффекты флуктуаций скорости вращения за счёт приливов и сезонных колебаний, то есть выделить тренд изменений, то в сухом остатке вывод будет другим. Самые короткие сутки действительно наблюдались 29 июня 2022 года — они были на 1,59 мс короче «нормы» в 24 часа, но долгосрочные тренды, по-видимому, с 2020 года сместились от сокращения к удлинению суток. Это изменение беспрецедентно за последние 50 лет.
Причина изменений неясная. Может быть, сыграли роль климатические факторы, в частности, ураган La Niña, хотя он бушевал перед этими событиями. Может, дело в глобальном потеплении и увеличивающейся скорости таяния ледяных шапок — но скорость таяния не сильно отклоняется от постоянного тренда, который наблюдается в последние годы. Также можно заподозрить гигантское извержение вулкана Тонга, в котором произошёл выброс крупной водной массы в атмосферу. Но и этот фактор, кажется, ни при чём — извержение случилось в январе 2022 года, то есть когда новая тенденция уже набрала обороты.
Было предложено геологическое объяснение явления — так называемые качания Чандлера (Chandler wobble), то есть небольшие отклонения оси вращения Земли (нутации) не совсем ясного происхождения, но с известным периодом около 430 дней — дрейф географических полюсов с амплитудой около 9 метров (не путать с магнитными). Наблюдения радиотелескопов показывают, что амплитуда этих колебаний как раз в последние годы уменьшилась. Не исключено, что два события (скорость вращения и нутации) связаны, хотя пока ниоткуда не следует, что одно является причиной другого — они вместе могут вызываться общей астрономической или геологической причиной.
И наконец, есть объяснение математического характера: на самом деле ничего особого не происходит внутри Земли или на ней; но долговременные приливные циклы накладываются на другие периодические процессы на Земле. Получаются типичные биения: сумма двух периодических движений с разными периодами даёт странные результирующие кривые.
Знание скорости вращения Земли и её изменения — это не только любопытство геодезистов и астрономов; оно абсолютно необходимо для множества практических приложений. Навигационные системы, в частности, GPS критично зависят от точности измерения параметров вращения Земли. Каждые несколько лет в шкалу UTC вставляют одну «високосную», или «корректирующую» секунду, чтобы не терять синхронизации с вращением планеты. В назначенный день в полночь на часах появляется необычная индикация 23:59:60, за которой следует 00:00:00. С 1972 года таким образом в календарь добавили в сумме 27 високосных секунд (с официальным их списком можно ознакомиться здесь). Но если тенденция с увеличением продолжительности суток сохранится, в будущем придётся ввести «отрицательную» високосную секунду. В таком манёвре, в отличие от обычной секунды, усматривают дополнительные угрозы безопасности, связанные с программными сбоями. Проблема, вероятно, сродни обсуждаемой двадцать лет назад «проблеме 2000»; тем не менее глюки программного кода, не понимающего обратного хода времени (разность временных меток отрицательна), возможны, и могут привести к каким-либо неприятностям, особенно если ПО обслуживает критическую инфраструктуру.
Но, возможно, такая необходимость просто подтолкнёт давно ведущуюся дискуссию о том, что високосные секунды лучше бы просто отменить, а хронометрирование для UTC проводить каким-либо более прогрессивным способом. Но замедления Земли на возможную отрицательную секунду ещё не набралось, так что пока самая главная новость — мы можем наслаждаться каждые сутки дополнительными несколькими миллисекундами.
