Компьютерра PDA N174 (19.05.2012-25.05.2012)

Дмитрий Вибе: Так будет не всегда

Автор: Дмитрий Вибе

Опубликовано 25 мая 2012 года

Раз уж я заговорил о работах Ласкара в частности и о долговременной эволюции Солнечной системы вообще, уместно написать и ещё об одном аспекте этой проблемы, чтобы, как говорят, два раза не вставать. В прошлой колонке я представил мрачные прогнозы орбитальной эволюции Солнечной системы. Но у наших отдалённых перспектив есть и другая сторона — не общесистемная, а внутрипланетная, которая, впрочем, оказывается тесно связанной с эволюцией орбит. Я имею в виду важнейший климатический параметр — наклон оси вращения планеты по отношению к плоскости её орбиты, — определяющий характер смены времён года.

На всякий случай уточню, что речь идёт о взаимной ориентации осевого и орбитального вращения планеты, но не о положении оси вращения в теле планеты, то есть, не о движении полюсов, например, Земли, относительно коры и мантии. Это отдельная очень интересная тема, но за неё пусть отдуваются геологи.

Так вот, в прошлый раз я писал о том, насколько сильно может меняться со временем орбитальное движение планеты. Параметры осевого вращения — конкретно, наклон оси вращения и период прецессии — также подвержены колебаниям, что во внутренней области Солнечной системы нагляднее всего видно на примере Марса. Его внешний облик содержит многочисленные признаки иного прошлого, климатически существенно более комфортного с человеческой точки зрения. Русла, протоки, осадочные породы, минеральный состав поверхности — очень многое указывает, что в далёком прошлом, миллиарды лет назад, на поверхности Марса могла существовать жидкая вода. Но потом что-то случилось, и климат Марса кардинально изменился не в лучшую сторону.

Подходящим кандидатом кажется изменение наклона оси вращения Марса. Параметры его орбиты, как и параметры орбит других планет, испытывают квазипериодические вариации с периодами в десятки тысяч лет. Некоторые из этих периодов совпадают с прецессионным периодом Марса, равным примерно 170 тыс. земных лет. Близость периодов приводит к спин-орбитальному резонансу, следствием которого могут быть хаотические изменения угла наклона марсианской оси. Как показывают расчёты, выполненные, в том числе, и Жаком Ласкаром, даже за последние десятки миллионов лет угол между экватором Марса и плоскостью его орбиты мог отклоняться от теперешних 25 градусов более чем на 10 градусов в обе стороны. Если же говорить обо всём времени существования Солнечной системы, то тут возможны скачки практически от 0° и чуть ли не до 90°.

Если вспомнить, что колебания угла между экватором Земли и плоскостью эклиптики на величину порядка градуса устроили нам ледниковый период, при таких масштабных колыханиях Марса понятна практическая неизбежность климатических катастроф на нём. С другой стороны, у Земли за последние десятки миллионов лет этот угол варьировался не более чем на один-два градуса. Возникает естественный вопрос о причинах такой устойчивости нашей планеты.

Уже давно высказано предположение, что за стабильность земного вращения (и, соответственно, климата) мы должны благодарить Луну. Прецессия земной оси, вызываемая притяжением Луны, имеет период около 26 тыс. лет — это значительно меньше, чем периоды вариаций орбитальных параметров. Поэтому попадание в спин-орбитальный резонанс и связанные с ним хаотические колебания угла наклона Земле сейчас не грозят.

Вероятно, одним из первых эту идею в 1982 году высказал Уильям Вард, но большую известность приобрели расчёты Ласкара и Робутеля, опубликованные в 1993 году. Они промоделировали эволюция вращения планеты, которую от Земли отличало только отсутствие спутника. Выяснилось, что период прецессии оси вращения безлунной Земли удлиняется до 80 с лишним тысяч лет. Это приближает её к "зоне хаоса" и создаёт, как и в случае Марса, условия для очень сильных колебаний угла между экватором и орбитой.

После этой публикации Луна вошла в общественное мнение в качестве гаранта долговременного процветания жизни на Земле. Как следствие, возникло представление о том, что и на всех прочих планетах Вселенной необходимым условием развития биосферы является наличие крупного спутника. При этом ни у одной планеты земной группы, за исключением Земли, крупного спутника нет. Следовательно, вероятность возникновения системы типа "Земля+Луна" не слишком велика, что, как кажется, заставляет существенно понизить и вероятность возникновения жизни во Вселенной, по крайней мере, сложных форм жизни.

Это заключение было в некоторой степени поколеблено Джеком Лисо и его коллегами, которые в 2011 году представили результаты более точных расчётов эволюции безлунной Земли (статья вышла из печати уже в этом году). Прямое интегрирование (а не усреднённое, как у Ласкара и Робутеля) показало, что даже при отсутствии Луны пространственные колебания земной оси оказываются не такими значительными. Понятно, что эти расчёты, как любые долговременные расчёты эволюции Солнечной системы, имеют только статистический смысл и не предсказывают реальное развитие событий. Однако с их помощью всё-таки можно сделать некоторые выводы.

Эволюция безлунной Земли в работе Лисо и других сильно зависит от того, с какого значения угла наклона начинается расчёт. Если бы безлунная Земля всегда вращалась с периодом 24 часа и имела начальный наклон, близкий к теперешнему, её ось действительно испытывала бы достаточно сильные колебания, хотя они с большой вероятностью не были бы настолько сильны, как предсказывал Ласкар. Конечно, плюс-минус десять градусов тоже не сахар, но это не беспорядочные кувыркания Марса. Глядишь, как-нибудь приспособились бы.

Но и это ещё не всё. Важно то, что Земля, у которой никогда не было Луны, это не то же самое, что Земля, у которой Луну вдруг убрали. Наш спутник замедляет вращение Земли, и потому Земля без Луны вращалась бы гораздо быстрее, имея при этом более сплюснутую (от быстрого вращения) форму. Это сделало бы её ещё более устойчивой к колебаниям. Расчёты Лисо со товарищи показывают, что безлунная Земля с 10-часовым периодом и начальным углом между экватором и орбитой порядка 30° испытывает колебания этого угла порядка нескольких градусов. Если же раскрутить Землю так, чтобы она совершала оборот за 2-4 часа, колебания вообще практически пропадают. Правда, возникает вопрос, захотели ли бы мы вообще жить на планете с такими короткими сутками.

Так что, получается, что роль Луны как необходимого ингредиента обитаемой планеты, как минимум, преувеличена. Но и это ещё не всё! Как бы комфортно мы ни чувствовали себя сейчас, следует помнить, что так будет не всегда, и именно Луна может в будущем сыграть роль дестабилизирующего фактора!

Она ведь не просто замедлила вращение Земли, она продолжает делать это и сейчас, попутно удаляясь от нас. В результате прецессия земной оси будет постепенно замедляться, и на временах порядка миллиардов лет Земля сможет попасть в резонанс с колебаниями орбитальных параметров — со всеми вытекающими отсюда хаотическими последствиями. Причём, это произойдёт не несмотря на наличие Луны, а именно благодаря её наличию. Так что, даже если крупный спутник необходим для развития сложных форм жизни, он может оказаться нежелательным фактором для долговременного существования этой жизни.

Конечно, и здесь не нужно забывать о методической неопределённости этих расчётов и о большом количестве входящих в них плохо известных факторов — эволюция системы Земля-Луна зависит от внутреннего строения Земли, от взаимодействия планеты с атмосферой и гидросферой, от будущей конфигурации орбит других планет… Одно сочетание этих параметров может предсказать попадание в зону хаоса чуть ли не в пределах миллиарда лет, другое сочетание отодвигает его на времена, большие оставшегося времени жизни Солнца… В общем, то ли дождик, то ли снег, то ли будет, то ли нет.

Но в контексте 2012 года важно другое: ни одна из имеющихся моделей эволюции вращения Земли не предсказывает возможности быстрых изменений. Так, как оно есть сейчас, будет не всегда. Но и скоро тоже не закончится.