Группа астрофизиков показала, что примерно с двух миллиардов лет назад до 600 миллионов лет назад атмосферный прилив, вызванный солнцем, противостоял влиянию Луны, поддерживая постоянную скорость вращения Земли и постоянную продолжительность дня в 19,5 часов.
Предоставлено: Кевин М. Гилл.

Опираясь на геологические данные и используя инструменты исследования атмосферы, ученые показывают, что приливно-отливный тупик между Солнцем и Луной возник из-за случайной, но чрезвычайно важной связи между температурой атмосферы и скоростью вращения Земли.

Среди авторов статьи Норман Мюррей, астрофизик-теоретик из Канадского института теоретической астрофизики (CITA) Университета штата Техас; аспирант Ханбо Ву, CITA и факультет физики, Университет Т; Кристен Мену, Дэвид А. Данлэп Факультет астрономии и астрофизики и Департамент физических наук и наук об окружающей среде Торонтоского университета в Скарборо; Джереми Лаконте, Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux и бывший постдокторант CITA; и Кристофер Ли, факультет физики, Университет Т.

Когда Луна впервые образовалась около 4,5 миллиардов лет назад, день длился менее 10 часов. Но с тех пор гравитационное притяжение Луны к Земле замедляет вращение нашей планеты, в результате чего день становится все более длинным. Сегодня она продолжает удлиняться со скоростью примерно 1,7 миллисекунды каждое столетие.

Энергетический спектр атмосферы Земли. По оси x отложена длина волны, например, 5 соответствует длине волны, составляющей одну пятую окружности Земли, для волны, распространяющейся с запада на восток, а -5 означает то же самое, но для волн, распространяющихся с востока на запад. По оси y отложена частота в циклах в день, например, 2 означает два цикла в день или 12 часов. Тонкие горизонтальные коричневые линии показывают солнечное воздействие в течение одного, двух, трех и т. д. циклов в день (период 24 часа, 12 часов, 8 часов и т. д.).
Кредит: Сакадзаки и Гамильтон

Луна замедляет вращение планеты, притягивая земные океаны, создавая приливные выпуклости на противоположных сторонах планеты, которые мы воспринимаем как приливы и отливы. Гравитационное притяжение Луны к этим выпуклостям плюс трение между приливами и океанским дном действует как тормоз на нашей вращающейся планете.

«Солнечный свет также создает атмосферный прилив с такими же выпуклостями», — говорит Мюррей. «Гравитация Солнца притягивает эти атмосферные выпуклости, создавая крутящий момент на Земле. Но вместо того, чтобы замедлять вращение Земли, как Луна, она ускоряет его».

На протяжении большей части геологической истории Земли лунные приливы превосходили солнечные примерно в десять раз; отсюда замедление скорости вращения Земли и удлинение дней.

Но около двух миллиардов лет назад атмосферные выпуклости были больше, потому что атмосфера была теплее и потому что ее естественный резонанс — частота, с которой волны проходят через нее, — соответствовал продолжительности дня.

Атмосфера, как колокол, резонирует с частотой, определяемой различными факторами, в том числе и температурой. Другими словами, волны, подобные тем, что возникли при чудовищном извержении вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 г., проходят через него со скоростью, определяемой его температурой. Тот же принцип объясняет, почему колокол всегда издает одну и ту же ноту, если его температура постоянна.

На протяжении большей части истории Земли этот атмосферный резонанс не синхронизировался со скоростью вращения планеты. Сегодня каждому из двух атмосферных «приливов» требуется 22,8 часа, чтобы совершить кругосветное путешествие; поскольку этот резонанс и 24-часовой период вращения Земли не синхронизированы, атмосферный прилив относительно невелик.

Мюррей и его сотрудники опирались в своем исследовании на геологические данные, такие как эти образцы из приливного эстуария, которые показывают цикл весенних и квадрантных приливов.
Предоставлено: Дж. Э. Уильямс.

Но в течение изучаемого периода в миллиард лет атмосфера была теплее и резонировала с периодом около 10 часов. Также к наступлению той эпохи вращение Земли, замедленное Луной, достигло 20 часов.

Когда атмосферный резонанс и продолжительность дня стали четными — десять и двадцать, — атмосферный прилив усилился, выпуклости стали больше, а приливное притяжение солнца стало достаточно сильным, чтобы противостоять лунному приливу.

«Это все равно, что качать ребенка на качелях, — говорит Мюррей. «Если ваш толчок и период замаха не синхронизированы, он не поднимется очень высоко, добавит импульса качанию, и пойдет дальше и выше. Вот что произошло с атмосферным резонансом и приливом».

Наряду с геологическими данными, Мюррей и его коллеги добились своего результата, используя модели глобальной атмосферной циркуляции (МОЦ), чтобы предсказать температуру атмосферы в этот период. МОЦ – это те же самые модели, которые климатологи используют для изучения глобального потепления. По словам Мюррея, тот факт, что они так хорошо работали в исследованиях команды, является своевременным уроком.

«Я разговаривал с людьми, которые скептически относятся к изменению климата и не верят в модели глобальной циркуляции, которые говорят нам, что мы находимся в климатическом кризисе», — говорит Мюррей. «И я говорю им: мы использовали эти модели глобальной циркуляции в наших исследованиях, и они все сделали правильно. Они работают».

Несмотря на свою отдаленность от геологической истории, результат добавляет дополнительную перспективу климатическому кризису. Поскольку атмосферный резонанс меняется с температурой, Мюррей указывает, что наше нынешнее потепление атмосферы может иметь последствия в этом приливном дисбалансе.

«По мере того, как мы повышаем температуру Земли из-за глобального потепления, мы также повышаем резонансную частоту — мы удаляем нашу атмосферу от резонанса, что станет длиннее, раньше, чем в противном случае».