За последние 50 лет к нашему времени добавилось 27 дополнительных секунд.
Ключевые выводы
- Наша планета постепенно останавливается по известным причинам и колеблется по частично известным причинам.
- Мы часто думаем о времени как о чем-то неизменном и абстрактном, но наши часы основаны на движении небесных тел.
- Каждые несколько лет к нашим земным часам нужно добавлять секунду, чтобы приблизить теоретическое время к астрономическому.
Ученые, инженеры и программисты часто считают время абсолютным в своей работе. Но это полезное приближение технически неверно как по физическим, так и по человеческим причинам. Теория относительности как раз этим и занимается. Говоря человеческим языком, наши часы и календари также не основаны на абстрактном, абсолютном времени. Скорее, они соотносятся с периодами движения небесных тел: день - это один оборот Земли вокруг своей оси, а год - это один оборот Земли вокруг Солнца. Из-за связи наших часов со сложными реалиями Земли наше время не является неизменным. Вместо этого время постепенно изменяется с течением времени.
За последние 50 лет к нашему времени добавилось 27 дополнительных секунд. В эти моменты часы делают необычный тик: 23:59:59, 23:59:60, 00:00:00. Дополнительная секунда приходится на изменения во вращении Земли из-за того, что наша планета постепенно вращается вниз и колеблется по пути.
Что вызывает колебания земных дней?
Существует постепенный, устойчивый фактор, а также множество эфемерных.
Гравитационное взаимодействие между идеализированными центрами Земли и Луны диктует нашу взаимную орбиту. Однако диаметр Земли достаточно велик, чтобы притяжение Луны было значительно сильнее с ближней стороны, чем с дальней. Возникающий в результате гравитационный градиент притягивает ближнюю сторону Земли, в то же время сжимая дальнюю сторону менее сильно, образуя две выпуклости. Этот эффект заметен в нашей повседневной жизни как доминирующая частота океанских приливов два раза в день.
Некоторое время требуется для того, чтобы вода и твердая корка затекли в выпуклости и вышли из них. Таким образом, пики немного задерживаются относительно положения Луны над головой, отслеживая ее дугу. Поскольку одна выпуклость находится ближе к Луне, гравитация Луны сильнее притягивает ее. Поскольку выпуклость следует за положением Луны, чистое притяжение направлено назад, против вращения. Это создает чистый крутящий момент вокруг центральной оси Земли в направлении, противоположном ее вращению, слегка замедляя ее.
«Слегка» здесь забавный термин: период вращения Земли в среднем замедляется всего на 2 миллисекунды в день в течение тысячелетия. Однако постоянное замедление представляет собой потерю вращательной мощности в 3,7 тераватта, что составляет примерно половину мощности всех человеческих электростанций вместе взятых. Часть этой энергии передается на орбиту Луны. Большая его часть теряется, поскольку трение воды о скалу, поднимающуюся и опускающуюся, рассеивает тепло.
Со временем это незначительное замедление увеличивается. Много миллионов лет назад каждый день на Земле был на несколько часов короче, чем сегодня. В далеком будущем Земля будет замедляться до тех пор, пока день не станет ближе к месяцу, если планета выживет достаточно долго. Это явление приливного замка. Мало того, что одна сторона Луны всегда будет обращена к нам, Луна всегда будет лежать над одной стороной Земли, невидимая с другой.
В то время как неумолимое замедление нашего вращения постепенно продолжается, ряд более загадочных и преходящих эффектов вызывают кратковременное отклонение продолжительности дня. Сдвиги формы - точнее, распределения массы - Земли меняют ее момент инерции, как знаменитая фигуристка, подтягивая руки и ноги, чтобы разогнаться до головокружительного вращения. Некоторые массовые сдвиги невидимы для нас, например, потоки в жидком ядре Земли или смещение слоев мантии. Движение массы по мере дрейфа континентов и роста и сокращения полярных ледяных шапок также вызывает небольшие изменения. Масса, перемещающаяся в более низкие широты, замедляет вращение, а миграция к полюсам увеличивает его.
Сдвиги массы иногда могут быть связаны с конкретными событиями или причинами. Например, землетрясение в Индийском океане в 2004 году вызвало оседание массы вниз, вглубь Земли, что уменьшило момент инерции планеты и немного увеличило ее вращение. Плотина «Три ущелья» немного уменьшает скорость вращения Земли. Приподнятый бетон и сталь конструкции имеют минимальные последствия, но огромная масса воды, которую она вытесняет на большую высоту, дальше от центра Земли, имеет тонкие последствия. Взаимодействие между атмосферой и поверхностью также может сыграть свою роль. В целом мы, вероятно, не понимаем большую часть этих эффектов, но ученые тщательно отслеживают их последствия.
Преходящие эффекты добавляются к постепенным. В то время как день становится длиннее на протяжении тысячелетий, прерывистые события заставляют его колебаться вверх и вниз на несколько миллисекунд в течение многих лет и десятилетий. Узор похож на небольшие подъемы и впадины вдоль нисходящей тропы.
С 1960-х годов продолжительность дня увеличилась с чуть менее 86 400 секунд до целых 3 миллисекунд (86 400 003 секунды). Если бы каждый день вращения длился 1 лишнюю миллисекунду, то абстрактные часы теряли бы одну секунду каждые 1000 дней, и для ее возврата потребовалась бы одна дополнительная секунда. Эта диаграмма показывает продолжительность дня и високосные секунды. Каждые несколько лет лишние миллисекунды складываются, и объявляется дополнительная секунда, чтобы вернуть накопленное избыточное время.
В конце концов, нам нужны дополнительные секунды, потому что наши часы - это не упрощенные часы ученых и инженеров-программистов. На движение Земли влияет огромное количество факторов, как и подобает реальному объекту в реальной вселенной. Он не совсем подчиняется абстрактному математическому правилу, согласно которому в сутках ровно 86 400 секунд. Несмотря на то, что наша человеческая жизнь все больше отдаляется от природы, циклы наших тел, нашей окружающей среды и нашего общества по-прежнему синхронизированы с ритмами солнца и времен года. Программистам просто нужно научиться учитывать это, вместо того, чтобы пытаться избавиться от них.