Страница:
Ясно, что если бы подобный удар повторился и пришелся на Манхэттен, он бы полностью разрушил остров, нанес бы невероятный ущерб части соседнего Лонг-Айленда и Нью-Джерси, убил бы несколько миллионов человек.
Меньший, но гораздо лучше сохранившийся кратер находится в штате Аризона, рядом с городом Уинслоу. В этом засушливом районе нет воды и вообще мало видов жизни, и кратер хорошо сохранился. Он и сегодня выглядит совсем свеженьким и представляется удивительно похожим – прямо как маленький двоюродный брат – на кратеры, которые мы видим на Луне.
Он был открыт в 1891 году, но первым человеком, который в 1902 году заявил, что кратер – результат падения метеорита, а не потухший вулкан, был Даниэл Моро Баррингер. Поэтому кратер называют «Большой метеоритный кратер Баррингера» или иногда просто: «метеоритный кратер».
В поперечнике этот кратер 1,2 километра, в глубину около 0,18 километра. Его край поднимается над окружающей сельской местностью почти на 0,060 километра. Кратер образовался до 50 000 лет назад, хотя некоторые предполагают, что всего лишь 5000 лет назад. Вес метеорита, образовавшего кратер, оценивается разными учеными от 12 000 тонн до 1,2 миллиона тонн. Это означает, что метеорит мог быть от 0,075 до 0,360 километра в диаметре (Кратер, образовавшийся около 35 миллионов лет назад, обнаружен на Таймыре, найдены старые кратеры в ряде районов России, на Украине, в Германии).
Но все это в прошлом. А что мы можем ожидать в будущем? Астроном Эрнст Опик считает, что «пасущееся у Земли» должно двигаться по своей орбите в среднем в течение 100 миллионов лет перед тем, как столкнется с Землей. Если предположить, что существует две тысячи подобных объектов, достаточно больших, чтобы уничтожить город или даже принести еще больший вред при ударе, тогда средний интервал между такими бедствиями будет всего 50 000 лет.
Каковы же шансы попадания в определенную цель? Скажем, в город Нью-Йорк? Площадь Нью-Йорка – это одна полуторамиллионная часть площади Земли.
Это означает, что средний интервал между ударами, которые могли бы разрушить Нью-Йорк, около 33 миллиардов лет. Если мы предположим, что общая площадь расположения крупных городов на Земле в 100 раз больше, чем у Нью-Йорка, то средний интервал между градоразрушительными ударами около 330 миллионов лет.
Это в самом деле не повод, чтобы терять покой и сон, и неудивительно, что в письменных свидетельствах человеческой цивилизации (которой всего-то 5000 лет) нет ясного описания того, как падающий метеорит разрушает город.
Метеориту внушительных размеров нет необходимости ударять непосредственно в город, чтобы принести большой ущерб. Если он упадет в океан, то в семи из десяти случаев образуется такая приливо-отливная волна, которая опустошит побережье, топя людей и разрушая сооружения. Если среднее время между разрушительными прямыми ударами 50 000 лет, то среднее время между приливо-отливными волнами, спровоцированными метеоритами, примерно 71 000 лет (В начале 1997 года появилось сообщение о том, что японские ученые высказали предположение о падении 65 миллионов лет назад крупного метеорита; упав в океан, он вызвал такое облако пара, которое надолго затмило Солнце, что привело к гибели динозавров и некоторых других организмов).
Самое худшее состоит в том, что пока нет возможности заблаговременно предупредить о падении метеорита. Такой метеорит, вполне вероятно, будет достаточно маленьким и достаточно быстро двигающимся, чтобы достичь атмосферы Земли незамеченным. А от времени, когда он начнет светиться, до удара пройдет самое большее несколько секунд.
Если разрушение ударом большого метеорита и несколько менее вероятно, чем любая из других катастроф, о которых речь шла выше, то оно отличается от них в двух аспектах. Во-первых, хотя это может принести бедствие, повлечь за собой огромный вред, но совершенно маловероятно, чтобы такие удары были катастрофическими в том же смысле, в каком, например, было бы превращение Солнца в красный гигант. Вряд ли метеорит разрушит Землю, или уничтожит человечество, или даже сметет цивилизацию. Во-вторых, возможно, недолго остается до того времени, когда предотвращение этих ударов станет возможным до нанесения бедственного удара.
Мы выдвигаемся в космос, в пределах века на орбите вокруг Земли и на Луне могут появиться астрономические обсерватории (Телескопы на спутниках уже появились). Без мешающей атмосферы астрономы в таких обсерваториях будут иметь возможность лучше видеть «пасущихся у Земли». Они смогут наблюдать эти опасные тела пристальнее, определять положение их орбит тщательнее. Это будет относиться и к тем «пасущимся у Земли», которые слишком малы, чтобы видеть их с земной поверхности, но достаточно велики, чтобы разрушить город, и вследствие их большого количества намного опаснее, чем настоящие гиганты.
Тогда, возможно, спустя сотню лет или через тысячу лет какой-нибудь астроном оторвется от своего компьютера, чтобы сказать: «Орбита встречи!» И начнется контратака, ожидавшая этого момента в течение десятков лет или даже веков. Опасный камень будет выслежен, и при подходящем, заранее рассчитанном его положении в космосе будет послано мощное устройство для его перехвата и взрыва. Камень станет сиять, испаряться и превратится в булыжники. Земля не понесет никакого урона, самое худшее, что произойдет при этом, – Земля будет награждена впечатляющим метеорным ливнем.
А может быть и так, что каждый объект, который проявит малейшую склонность к сближению и который астрономы посчитают не представляющим научного интереса, будет уничтожен. И этот специфический вид бедствия никогда больше не заставит нас беспо-коиться.
Катастрофа третьего класса предполагает гибель Земли как места обитания жизни в процессе, который не затрагивает Солнце. Как я только что сказал, о возможности такой катастрофы в результате вторжения из космоса, из-за лунной орбиты, не следует беспокоиться. Это либо очень маловероятно, либо не настолько уж катастрофично, либо, в некоторых случаях, находится на грани предотвращения. Нам следует тут же спросить себя, а нет ли чего-нибудь такого, что находится вовсе не за лунной орбитой, но, так сказать, внутри системы Земля-Луна, и что может угрожать нам катастрофой третьего класса? Начнем тогда с того, что разберемся с Луной.
Из всех астрономических тел ощутимых размеров Луна намного ближе к Земле. Расстояние от Луны до Земли, от центра до центра – 384 404 километра. Если бы орбита Луны вокруг Земли была совершенно круглой, это расстояние было бы неизменно. Орбита, однако, слегка эллиптическая, а это означает, что наименьшее расстояние при приближении Луны к Земле – 356 394 километра, и наибольшее при ее удалении – 406 678 километров.
Расстояние от Луны до Земли – это 1/100 расстояния от Земли до Венеры, когда последняя находится ближе всего к Земле; или это 1/140 расстояния от Земли до Марса при его максимальном приближении. Ни один объект, кроме единожды наблюдавшегося астероида Гермес (он не более километра в поперечнике), не оказывался почти так же близко к Земле, как Луна.
Можно указать на близость Луны по-другому: это единственное пока астрономическое тело, достаточно близкое для того, чтобы люди могли достичь его. Луна находится в трех днях пути от нас. Чтобы достичь Луны на ракете, требуется примерно столько же времени, сколько нужно, чтобы пересечь Соединенные Штаты по железной дороге.
Является ли необычайная близость Луны сама по себе опасностью? Может ли она по какой-нибудь причине упасть и травмировать Землю? Если это произойдет, это будет намного катастрофичнее, чем любое столкновение с астероидом, ведь Луна – тело весьма ощутимых размеров. Ее диаметр 3476 километров, или немного меньше четверти диаметра Земли. Ее масса составляет 1/81 массы Земли и в 50 раз больше массы самого крупного астероида.
Если Луна упадет на Землю, последствия столкновения будут, безусловно, гибельными для жизни на нашей планете. В результате столкновения оба объекта могут разлететься на мелкие кусочки. К счастью, как я говорил мимоходом в предыдущей главе, нет ни малейшей возможности, чтобы это случилось, разве только в составе другой, большей катастрофы. Угловой момент нельзя устранить вдруг и полностью, кроме как переносом на какое-то ощутимых размеров тело, приближающееся достаточно близко с соответствующего направления и с соответствующей скоростью. Шансы, что это случится, настолько ничтожны, что мы можем отбросить всякие страхи по этому поводу.
Нет необходимости опасаться и того, что с Луной случится что-нибудь такое, что будет угрожать катастрофой Земле. Например, совершенно невероятно, что Луна взорвется и на нас обрушится ливень обломков. С геологической точки зрения Луна почти мертва, ее внутреннего тепла недостаточно, чтобы произвести какие-либо действия, которые заметно изменили бы ее структуру или хотя бы ее поверхность.
В общем, мы с уверенностью можем считать, что Луна во многом будет оставаться такой, какая она сегодня, за исключением чрезвычайно медленных изменений, и что ее материальное тело не будет представлять для нас никакой опасности до тех пор, пока с течением времени Солнце не расширится в красный гигант, и как Луна, так и Земля будут разрушены.
Однако Луне нет надобности наносить Земле удар собой или своей частью для того, чтобы воздействовать на нас. Она оказывает гравитационное воздействие на нас через пространство, и воздействие сильное. Оно, собственно, второе по силе после гравитационного воздействия Солнца.
Гравитационное влияние любого астрономического объекта на Землю зависит от массы этого объекта, а масса Солнца в 27 миллионов раз больше массы Луны.
Гравитационное влияние, однако, уменьшается, как квадрат расстояния. Расстояние Солнца от Земли в 390 раз больше, чем Луны от Земли, а 390 х 390 = 152 000. Если мы разделим 27 000 000 на это число, мы получим, что гравитационное притяжение Солнца действует на Землю в 178 раз сильнее, чем лунное.
Несмотря на то, что сила лунного притяжения, действующая на нас, составляет только 0,56 процента от силы притяжения Солнца, это все-таки намного больше, чем любое другое гравитационное воздействие на нас. Так, лунное притяжение в 106 раз больше, чем притяжение Юпитера, когда он расположен ближе всего, и в 167 раз больше, чем притяжение Венеры, когда она ближе всего. Гравитационное воздействие на Землю остальных астрономических объектов еще меньше.
Может ли гравитационное притяжение, когда оно столь велико по сравнению со всеми другими объектами, кроме Солнца, оказаться для нас источником катастрофы? На первый взгляд кажется, что нет, не может, ведь гравитационное притяжение Солнца намного сильнее, чем у Луны. И поскольку первое не вызывает у нас тревоги, то почему же должно беспокоить второе?
Отрицательный ответ был бы правильным, если бы астрономические тела реагировали на силу гравитации во всех точках одинаково. Но это не так. Давайте вернемся к вопросу приливо-отливных эффектов, о которых я упомянул в предыдущей главе, и рассмотрим его более детально в отношении Луны.
Поверхность Земли, обращенная к Луне, находится на среднем расстоянии от центра Луны в 378 026 километров. Поверхность Земли на другой стороне от Луны дальше от центра Луны на толщину Земли и, следовательно, находится на расстоянии в 390 782 километра.
Сила притяжения Луны уменьшается, как квадрат расстояния. Если расстояние от центра Земли до центра Луны принять за 1, тогда расстояние от поверхности Земли, обращенной к Луне, составит 0,983, а расстояние от поверхности, обращенной прочь от Луны, составит 1,017.
Если сила притяжения поверхности Земли, обращенной к Луне, таким образом, 1,034, то сила притяжения поверхности Земли, обращенной прочь от Луны, составляет 0,966. Это означает, что притяжение Луной ближайшей поверхности Земли на 7 процентов сильнее, чем притяжение дальней поверхности Земли.
Результатом силы притяжения Луны, изменяющейся с расстоянием, является то, что Земля тянется к Луне. Сторона, находящаяся ближе к Луне, притягивается сильнее, чем центр, а центр, в свою очередь, притягивается сильнее, чем сторона, расположенная в сторону от Луны. В результате Земля деформируется с обеих сторон. Одна деформация – стороны, обращенной к Луне, происходит, так сказать, более энергично, чем остальной структуры Земли. Другая деформация – стороны, обращенной прочь от Луны, так сказать, отстает от всего остального.
Так как Земля состоит из неэластичного камня, который особенно не поддается даже большим усилиям, деформация в твердом теле Земли невелика, но она есть. Однако вода океана более податлива и деформируется сильнее, она «выпячивается» в направлении к Луне.
При вращении Земли континенты, оказываясь, так сказать, «под Луной», испытывают накат «выпяченной» воды. Вода по инерции набегает несколько выше береговой линии, затем отступает, происходят приливы и отливы. На противоположной, обращенной в сторону от Луны стороне Земли повернувшиеся туда континенты испытывают другую деформацию воды, через 12,5 часа происходит прилив, затем отлив. (Дополнительные полчаса набегают из-за того, что Луна за это время продвигается на некоторое расстояние.) Таким образом происходят два прилива и два отлива в день.
Приливо-отливный эффект, производимый на Земле любым телом, пропорционален его массе, но уменьшается, как расстояние в кубе. Солнце (повторим) в 27 миллионов раз массивнее Луны и в 390 раз дальше от Земли. 390 в кубе составляет около 59 300 000. Если мы поделим массу Солнца (соответственно Луны) на куб его расстояния от Земли (соответственно Луны), мы обнаружим, что приливо-отливный эффект Солнца на Землю составляет лишь 0,46 от приливо-отливного эффекта Луны.
Итак, Луна является основной причиной приливо-отливного эффекта на Земле, а Солнце значительно уступает ей. Все другие астрономические тела вообще не производят измеримого приливо-отливного эффекта на Землю.
Теперь нам следует спросить: не может ли существование приливов и отливов каким-нибудь образом привести к катастрофе?
Приливы и отливы и в будущем могут стать полезными иным образом. Так, во время прилива вода может подняться в резервуар, из которого может выйти при отливе, вращая турбину. Приливы и отливы могут таким образом дать миру неиссякаемый источник энергии. При чем же тут катастрофа?
Так вот, когда Земля поворачивается и на сушу накатывается вспучившаяся вода, двигаясь на берег и с берега, вода должна преодолеть сопротивление трения, и не только на самом берегу, но и на тех участках морского дна, где океан, случается, бывает особенно мелководен. Часть энергии вращения Земли затрачивается на преодоление этого трения.
Когда Земля поворачивается, твердое тело планеты тоже деформируется, выпячиваясь в сторону Луны, и это выпячивание составляет примерно одну треть от выпячивания океана. Тем не менее выпячивание твердого тела Земли происходит за счет, так сказать, трения камня о камень, когда кора тянется кверху и опускается, и этот процесс повторяется снова и снова. Часть энергии вращения Земли затрачивается на это тоже. Конечно, энергия на самом деле не уничтожается. Она не исчезает, а превращается в тепло. Другими словами, в результате приливов и отливов Земля приобретает немножко тепла и немного теряет в скорости вращения. День становится длиннее.
Земля настолько массивна и вращается настолько быстро, что обладает огромным запасом энергии. Даже если большое количество энергии (большое по человеческим понятиям) затрачивается и превращается в тепло при преодолении приливо-отливного трения, день удлиняется очень незначительно. Однако даже очень незначительное увеличение продолжительности дня имеет совокупный эффект.
Предположим, что мы начали с дня с его настоящей продолжительностью 86 400 секунд и что каждый год день будет в среднем на 1 секунду длиннее. По истечении 100 лет он станет длиннее на 100 секунд или 1,5 минуты. Невелика разница.
Предположим, тем не менее, что мы начнем век с часами, которые показывают правильное время. Ко второму году они будут по сравнению с Солнцем спешить на 1 секунду каждый день, к третьему году – на 2 секунды каждый день, к четвертому году – на 3 секунды каждый день и так далее. В конце века, когда число дней, если бы мы следовали за восходами и закатами, было бы 36 524, а наши часы зарегистрировали бы 36 534,8 наборов дней по 86 400 секунд. Короче, имея увеличение длительности дня только на 1 секунду в год, мы накапливаем ошибку почти в 11 дней всего за век.
Конечно, день на самом деле увеличивается значительно меньшими темпами.
В древние времена определенные затмения были зарегистрированы как имевшие место в определенное время дня. Пересчитывая назад, устанавливаем, что они должны были бы произойти в другое время. Расхождение является накопленным результатом очень медленного удлинения дня.
Можно, конечно, усомниться, что древние люди пользовались только самыми примитивными методами измерения времени, и вся их концепция регистрации времени отличалась от нашей. Было бы, следовательно, рискованным делать какие-то выводы на основании того, что они говорили о времени затмений.
Однако в этом случае имеет значение не только время. Полное затмение Солнца можно видеть только с небольшого участка Земли. Если, скажем, затмение должно было произойти за час до расчетного времени, то Земля имела бы больше времени для поворота, и в умеренном поясе затмение произошло бы примерно на 1200 километров восточнее, чем указывают наши расчеты.
Даже если не доверять полностью тому, что говорят древние люди о времени затмения, мы можем быть уверены, что уж место-то затмения они сообщают точно, а это скажет нам о том, что мы хотим знать. По их свидетельствам мы определим суммарную ошибку, а по ней и темп удлинения дня. Вот так и было установлено, что день на Земле удлиняется со скоростью 1 секунда за 62 500 лет.
Это можно представить себе чем угодно, только не катастрофой. День сейчас приблизительно на 1/14 секунды длиннее, чем во времена, когда строили пирамиды.
Несомненно, разница не так велика, чтобы с ней считаться, но исторические времена – это мгновение по сравнению с геологическими эрами. За миллион лет наращивается 16 секунд, а история Земли насчитывает много миллионов лет.
Рассмотрим ситуацию, какой она была 400 миллионов лет назад, когда жизнь, которая до того существовала почти 3 миллиарда лет, наконец стала выходить из воды на сушу. За последовавшие 400 миллионов лет день увеличился на 6400 секунд, если настоящий темп увеличения сохранялся все это время.
Значит, 400 миллионов лет назад день был на 6400 секунд короче, чем сейчас. Поскольку 6400 секунд – это примерно 1,8 часа, жизнь выползла на сушу в мир, в котором день составлял только 22,2 часа. Поскольку нет причин предполагать, что длительность года изменилась за этот период, это также означает, что в году было 395 тех, более коротких дней.
Это только расчет. А нельзя ли найти прямое свидетельство? Оказывается, существуют ископаемые кораллы, которые образовались примерно 400 миллионов лет назад. Такие кораллы растут в течение дня одним темпом, в течение ночи – другим, и одним темпом летом, другим – зимой. В результате на их поверхности остаются отметки, очень похожие на кольца деревьев, которые отмечают дни и ночи.
В 1963 году американский палеонтолог Джон Вест Уэллс тщательно изучил эти ископаемые кораллы и нашел около 400 тонких отметок на каждую грубую отметку. Это означает, что в те древние времена, 400 миллионов лет назад, в году было около 400 дней. А если так, то каждый день продолжался 21,9 часа.
Это довольно близко к расчетам. На удивление близко, поскольку есть причина полагать, что темп удлинения (или укорачивания, если идти вспять) не обязательно постоянен. Существуют факторы, меняющие темп, с которым теряется энергия вращения. Расстояние до Луны изменяется (как мы скоро увидим) со временем, то же самое происходит с очертаниями континентов, мелями в морях и так далее.
Однако предположим (шутки ради), что день удлинялся этим неизменным темпом всю историю Земли. В таком случае, как быстро вращалась Земля 4,6 миллиарда лет назад, когда она только что образовалась? Это легко подсчитать, полагая, что величина изменения длительности дня постоянна. Период вращения Земли при ее рождении был 3,6 часа.
То есть, конечно, не обязательно так. Более сложные расчеты показывают, что день при самой своей короткой продолжительности был около 5 часов. Но не исключено, что и Луна не сопровождала Землю с самого начала, что она была захвачена лишь некоторое время спустя после образования Земли, и приливо-отливные явления начались менее чем 4,6 миллиарда лет назад, и, может быть, даже значительно менее. В таком случае день в начальные времена существования Земли был примерно 10 или даже 15 часов.
Пока мы еще не можем быть уверены. У нас нет прямого свидетельства о длительности дня в самые ранние периоды истории Земли.
Во всяком случае, более короткий день в далеком прошлом сам по себе не имеет большого значения для жизни. Определенное пятно на земной поверхности в течение короткого дня имело бы меньше времени разогреться и меньше времени остыть за короткую ночь. Следовательно, температура первобытной Земли имела тенденцию быть несколько более ровной, чем сейчас, и вполне очевидно, что живые организмы могли жить и жили при этом. Собственно, условия были даже более благоприятными для жизни, чем сейчас.
Что же, однако, насчет будущего и продолжающего удлиняться дня?
Масса Земли в 81 раз больше, чем у Луны, так что, при прочих равных, ее приливо-отливное влияние на Луну должно быть в 81 раз больше, чем влияние Луны на нас. Однако не все так просто. Луна меньше Земли, поперечник Луны немного больше четверти поперечника Земли. По этой причине гравитационное притяжение претерпевает меньшее падение от одной стороны Луны до другой, и это снижает приливо-отливный эффект. Учитывая размер Луны, приливо-отливное воздействие Земли на Луну в 32,5 раза больше, чем Луны на Землю.
Все же это означает, что Луна подвергается гораздо большим потерям, когда вращается, и поскольку масса ее значительно меньше, чем масса Земли, у нее для потери меньше энергии вращения. Период вращения Луны, следовательно, должен удлиняться гораздо большим темпом, чем у Земли, и сейчас он должен быть довольно большим.
Так оно и есть. Период вращения Луны относительно звезд сейчас 27,3 дня. Это оказывается равно периоду ее оборота вокруг Земли относительно звезд, так что Луна, когда вращается, всегда повернута к Земле одной своей стороной.
Это не случайность, не невероятное совпадение. Период вращения Луны рос до тех пор, пока не стал достаточно большим, так что Луна подставляла Земле всегда одну и ту же сторону. Как только это произошло, приливо-отливная деформация всегда присутствует в одних и тех же точках на поверхности Луны, одна с видимой с Земли стороны направлена в сторону Земли, другая со стороны, никогда не видимой с Земли, направлена в сторону от Земли. Луна больше не вращается относительно этой приливо-отливной деформации, и больше нет преобразования вращения в тепло. Луна, так сказать, гравитационно заперта на месте.
Раз вращение Земли замедляется, значит, в конечном счете она станет вращаться так медленно, что всегда будет направлена одной стороной в сторону Луны и тоже будет гравитационно заперта на месте.
Означает ли это, что Земля станет вращаться так медленно, что ее день будет по длительности 27,3 продолжительности настоящего дня? Нет, будет значительно хуже, и вот по какой причине: можно превратить энергию вращения в тепло, поскольку это вопрос превращения одного вида энергии в другой и не нарушает закон сохранения энергии. Однако вращающийся объект имеет также и угловой момент, который не может быть превращен в тепло. Он может быть только перенесен.
Если мы рассматриваем систему Земля-Луна, то и Земля, и Луна – каждая обладает угловым моментом по двум причинам: каждая вращается вокруг своей оси и каждая оборачивается вокруг общего центра гравитации. Последний расположен на линии, соединяющей центр Луны и центр Земли. Если бы Земля и Луна были в точности равны по массе, то общий центр гравитации был бы расположен как раз на полпути между ними. Поскольку Земля более массивна, чем Луна, общий центр гравитации расположен ближе к центру Земли. Фактически, поскольку Земля в 81 раз массивнее Луны, общий центр гравитации в 81 раз дальше от центра Луны, чем от центра Земли.
Меньший, но гораздо лучше сохранившийся кратер находится в штате Аризона, рядом с городом Уинслоу. В этом засушливом районе нет воды и вообще мало видов жизни, и кратер хорошо сохранился. Он и сегодня выглядит совсем свеженьким и представляется удивительно похожим – прямо как маленький двоюродный брат – на кратеры, которые мы видим на Луне.
Он был открыт в 1891 году, но первым человеком, который в 1902 году заявил, что кратер – результат падения метеорита, а не потухший вулкан, был Даниэл Моро Баррингер. Поэтому кратер называют «Большой метеоритный кратер Баррингера» или иногда просто: «метеоритный кратер».
В поперечнике этот кратер 1,2 километра, в глубину около 0,18 километра. Его край поднимается над окружающей сельской местностью почти на 0,060 километра. Кратер образовался до 50 000 лет назад, хотя некоторые предполагают, что всего лишь 5000 лет назад. Вес метеорита, образовавшего кратер, оценивается разными учеными от 12 000 тонн до 1,2 миллиона тонн. Это означает, что метеорит мог быть от 0,075 до 0,360 километра в диаметре (Кратер, образовавшийся около 35 миллионов лет назад, обнаружен на Таймыре, найдены старые кратеры в ряде районов России, на Украине, в Германии).
Но все это в прошлом. А что мы можем ожидать в будущем? Астроном Эрнст Опик считает, что «пасущееся у Земли» должно двигаться по своей орбите в среднем в течение 100 миллионов лет перед тем, как столкнется с Землей. Если предположить, что существует две тысячи подобных объектов, достаточно больших, чтобы уничтожить город или даже принести еще больший вред при ударе, тогда средний интервал между такими бедствиями будет всего 50 000 лет.
Каковы же шансы попадания в определенную цель? Скажем, в город Нью-Йорк? Площадь Нью-Йорка – это одна полуторамиллионная часть площади Земли.
Это означает, что средний интервал между ударами, которые могли бы разрушить Нью-Йорк, около 33 миллиардов лет. Если мы предположим, что общая площадь расположения крупных городов на Земле в 100 раз больше, чем у Нью-Йорка, то средний интервал между градоразрушительными ударами около 330 миллионов лет.
Это в самом деле не повод, чтобы терять покой и сон, и неудивительно, что в письменных свидетельствах человеческой цивилизации (которой всего-то 5000 лет) нет ясного описания того, как падающий метеорит разрушает город.
Метеориту внушительных размеров нет необходимости ударять непосредственно в город, чтобы принести большой ущерб. Если он упадет в океан, то в семи из десяти случаев образуется такая приливо-отливная волна, которая опустошит побережье, топя людей и разрушая сооружения. Если среднее время между разрушительными прямыми ударами 50 000 лет, то среднее время между приливо-отливными волнами, спровоцированными метеоритами, примерно 71 000 лет (В начале 1997 года появилось сообщение о том, что японские ученые высказали предположение о падении 65 миллионов лет назад крупного метеорита; упав в океан, он вызвал такое облако пара, которое надолго затмило Солнце, что привело к гибели динозавров и некоторых других организмов).
Самое худшее состоит в том, что пока нет возможности заблаговременно предупредить о падении метеорита. Такой метеорит, вполне вероятно, будет достаточно маленьким и достаточно быстро двигающимся, чтобы достичь атмосферы Земли незамеченным. А от времени, когда он начнет светиться, до удара пройдет самое большее несколько секунд.
Если разрушение ударом большого метеорита и несколько менее вероятно, чем любая из других катастроф, о которых речь шла выше, то оно отличается от них в двух аспектах. Во-первых, хотя это может принести бедствие, повлечь за собой огромный вред, но совершенно маловероятно, чтобы такие удары были катастрофическими в том же смысле, в каком, например, было бы превращение Солнца в красный гигант. Вряд ли метеорит разрушит Землю, или уничтожит человечество, или даже сметет цивилизацию. Во-вторых, возможно, недолго остается до того времени, когда предотвращение этих ударов станет возможным до нанесения бедственного удара.
Мы выдвигаемся в космос, в пределах века на орбите вокруг Земли и на Луне могут появиться астрономические обсерватории (Телескопы на спутниках уже появились). Без мешающей атмосферы астрономы в таких обсерваториях будут иметь возможность лучше видеть «пасущихся у Земли». Они смогут наблюдать эти опасные тела пристальнее, определять положение их орбит тщательнее. Это будет относиться и к тем «пасущимся у Земли», которые слишком малы, чтобы видеть их с земной поверхности, но достаточно велики, чтобы разрушить город, и вследствие их большого количества намного опаснее, чем настоящие гиганты.
Тогда, возможно, спустя сотню лет или через тысячу лет какой-нибудь астроном оторвется от своего компьютера, чтобы сказать: «Орбита встречи!» И начнется контратака, ожидавшая этого момента в течение десятков лет или даже веков. Опасный камень будет выслежен, и при подходящем, заранее рассчитанном его положении в космосе будет послано мощное устройство для его перехвата и взрыва. Камень станет сиять, испаряться и превратится в булыжники. Земля не понесет никакого урона, самое худшее, что произойдет при этом, – Земля будет награждена впечатляющим метеорным ливнем.
А может быть и так, что каждый объект, который проявит малейшую склонность к сближению и который астрономы посчитают не представляющим научного интереса, будет уничтожен. И этот специфический вид бедствия никогда больше не заставит нас беспо-коиться.
Катастрофа третьего класса предполагает гибель Земли как места обитания жизни в процессе, который не затрагивает Солнце. Как я только что сказал, о возможности такой катастрофы в результате вторжения из космоса, из-за лунной орбиты, не следует беспокоиться. Это либо очень маловероятно, либо не настолько уж катастрофично, либо, в некоторых случаях, находится на грани предотвращения. Нам следует тут же спросить себя, а нет ли чего-нибудь такого, что находится вовсе не за лунной орбитой, но, так сказать, внутри системы Земля-Луна, и что может угрожать нам катастрофой третьего класса? Начнем тогда с того, что разберемся с Луной.
Из всех астрономических тел ощутимых размеров Луна намного ближе к Земле. Расстояние от Луны до Земли, от центра до центра – 384 404 километра. Если бы орбита Луны вокруг Земли была совершенно круглой, это расстояние было бы неизменно. Орбита, однако, слегка эллиптическая, а это означает, что наименьшее расстояние при приближении Луны к Земле – 356 394 километра, и наибольшее при ее удалении – 406 678 километров.
Расстояние от Луны до Земли – это 1/100 расстояния от Земли до Венеры, когда последняя находится ближе всего к Земле; или это 1/140 расстояния от Земли до Марса при его максимальном приближении. Ни один объект, кроме единожды наблюдавшегося астероида Гермес (он не более километра в поперечнике), не оказывался почти так же близко к Земле, как Луна.
Можно указать на близость Луны по-другому: это единственное пока астрономическое тело, достаточно близкое для того, чтобы люди могли достичь его. Луна находится в трех днях пути от нас. Чтобы достичь Луны на ракете, требуется примерно столько же времени, сколько нужно, чтобы пересечь Соединенные Штаты по железной дороге.
Является ли необычайная близость Луны сама по себе опасностью? Может ли она по какой-нибудь причине упасть и травмировать Землю? Если это произойдет, это будет намного катастрофичнее, чем любое столкновение с астероидом, ведь Луна – тело весьма ощутимых размеров. Ее диаметр 3476 километров, или немного меньше четверти диаметра Земли. Ее масса составляет 1/81 массы Земли и в 50 раз больше массы самого крупного астероида.
Если Луна упадет на Землю, последствия столкновения будут, безусловно, гибельными для жизни на нашей планете. В результате столкновения оба объекта могут разлететься на мелкие кусочки. К счастью, как я говорил мимоходом в предыдущей главе, нет ни малейшей возможности, чтобы это случилось, разве только в составе другой, большей катастрофы. Угловой момент нельзя устранить вдруг и полностью, кроме как переносом на какое-то ощутимых размеров тело, приближающееся достаточно близко с соответствующего направления и с соответствующей скоростью. Шансы, что это случится, настолько ничтожны, что мы можем отбросить всякие страхи по этому поводу.
Нет необходимости опасаться и того, что с Луной случится что-нибудь такое, что будет угрожать катастрофой Земле. Например, совершенно невероятно, что Луна взорвется и на нас обрушится ливень обломков. С геологической точки зрения Луна почти мертва, ее внутреннего тепла недостаточно, чтобы произвести какие-либо действия, которые заметно изменили бы ее структуру или хотя бы ее поверхность.
В общем, мы с уверенностью можем считать, что Луна во многом будет оставаться такой, какая она сегодня, за исключением чрезвычайно медленных изменений, и что ее материальное тело не будет представлять для нас никакой опасности до тех пор, пока с течением времени Солнце не расширится в красный гигант, и как Луна, так и Земля будут разрушены.
Однако Луне нет надобности наносить Земле удар собой или своей частью для того, чтобы воздействовать на нас. Она оказывает гравитационное воздействие на нас через пространство, и воздействие сильное. Оно, собственно, второе по силе после гравитационного воздействия Солнца.
Гравитационное влияние любого астрономического объекта на Землю зависит от массы этого объекта, а масса Солнца в 27 миллионов раз больше массы Луны.
Гравитационное влияние, однако, уменьшается, как квадрат расстояния. Расстояние Солнца от Земли в 390 раз больше, чем Луны от Земли, а 390 х 390 = 152 000. Если мы разделим 27 000 000 на это число, мы получим, что гравитационное притяжение Солнца действует на Землю в 178 раз сильнее, чем лунное.
Несмотря на то, что сила лунного притяжения, действующая на нас, составляет только 0,56 процента от силы притяжения Солнца, это все-таки намного больше, чем любое другое гравитационное воздействие на нас. Так, лунное притяжение в 106 раз больше, чем притяжение Юпитера, когда он расположен ближе всего, и в 167 раз больше, чем притяжение Венеры, когда она ближе всего. Гравитационное воздействие на Землю остальных астрономических объектов еще меньше.
Может ли гравитационное притяжение, когда оно столь велико по сравнению со всеми другими объектами, кроме Солнца, оказаться для нас источником катастрофы? На первый взгляд кажется, что нет, не может, ведь гравитационное притяжение Солнца намного сильнее, чем у Луны. И поскольку первое не вызывает у нас тревоги, то почему же должно беспокоить второе?
Отрицательный ответ был бы правильным, если бы астрономические тела реагировали на силу гравитации во всех точках одинаково. Но это не так. Давайте вернемся к вопросу приливо-отливных эффектов, о которых я упомянул в предыдущей главе, и рассмотрим его более детально в отношении Луны.
Поверхность Земли, обращенная к Луне, находится на среднем расстоянии от центра Луны в 378 026 километров. Поверхность Земли на другой стороне от Луны дальше от центра Луны на толщину Земли и, следовательно, находится на расстоянии в 390 782 километра.
Сила притяжения Луны уменьшается, как квадрат расстояния. Если расстояние от центра Земли до центра Луны принять за 1, тогда расстояние от поверхности Земли, обращенной к Луне, составит 0,983, а расстояние от поверхности, обращенной прочь от Луны, составит 1,017.
Если сила притяжения поверхности Земли, обращенной к Луне, таким образом, 1,034, то сила притяжения поверхности Земли, обращенной прочь от Луны, составляет 0,966. Это означает, что притяжение Луной ближайшей поверхности Земли на 7 процентов сильнее, чем притяжение дальней поверхности Земли.
Результатом силы притяжения Луны, изменяющейся с расстоянием, является то, что Земля тянется к Луне. Сторона, находящаяся ближе к Луне, притягивается сильнее, чем центр, а центр, в свою очередь, притягивается сильнее, чем сторона, расположенная в сторону от Луны. В результате Земля деформируется с обеих сторон. Одна деформация – стороны, обращенной к Луне, происходит, так сказать, более энергично, чем остальной структуры Земли. Другая деформация – стороны, обращенной прочь от Луны, так сказать, отстает от всего остального.
Так как Земля состоит из неэластичного камня, который особенно не поддается даже большим усилиям, деформация в твердом теле Земли невелика, но она есть. Однако вода океана более податлива и деформируется сильнее, она «выпячивается» в направлении к Луне.
При вращении Земли континенты, оказываясь, так сказать, «под Луной», испытывают накат «выпяченной» воды. Вода по инерции набегает несколько выше береговой линии, затем отступает, происходят приливы и отливы. На противоположной, обращенной в сторону от Луны стороне Земли повернувшиеся туда континенты испытывают другую деформацию воды, через 12,5 часа происходит прилив, затем отлив. (Дополнительные полчаса набегают из-за того, что Луна за это время продвигается на некоторое расстояние.) Таким образом происходят два прилива и два отлива в день.
Приливо-отливный эффект, производимый на Земле любым телом, пропорционален его массе, но уменьшается, как расстояние в кубе. Солнце (повторим) в 27 миллионов раз массивнее Луны и в 390 раз дальше от Земли. 390 в кубе составляет около 59 300 000. Если мы поделим массу Солнца (соответственно Луны) на куб его расстояния от Земли (соответственно Луны), мы обнаружим, что приливо-отливный эффект Солнца на Землю составляет лишь 0,46 от приливо-отливного эффекта Луны.
Итак, Луна является основной причиной приливо-отливного эффекта на Земле, а Солнце значительно уступает ей. Все другие астрономические тела вообще не производят измеримого приливо-отливного эффекта на Землю.
Теперь нам следует спросить: не может ли существование приливов и отливов каким-нибудь образом привести к катастрофе?
Более длинный день
Говорить о приливах-отливах и о катастрофах, не переводя дыхания, по-видимому, было бы странно. В человеческой истории приливы и отливы существовали всегда, и они были совершенно регулярны и предсказуемы. Они всегда были полезны. Так, корабли обычно отплывали с началом прилива, когда вода поднимала их высоко над любыми скрытыми препятствиями, а отступающая вода несла корабль в нужном ему направлении.Приливы и отливы и в будущем могут стать полезными иным образом. Так, во время прилива вода может подняться в резервуар, из которого может выйти при отливе, вращая турбину. Приливы и отливы могут таким образом дать миру неиссякаемый источник энергии. При чем же тут катастрофа?
Так вот, когда Земля поворачивается и на сушу накатывается вспучившаяся вода, двигаясь на берег и с берега, вода должна преодолеть сопротивление трения, и не только на самом берегу, но и на тех участках морского дна, где океан, случается, бывает особенно мелководен. Часть энергии вращения Земли затрачивается на преодоление этого трения.
Когда Земля поворачивается, твердое тело планеты тоже деформируется, выпячиваясь в сторону Луны, и это выпячивание составляет примерно одну треть от выпячивания океана. Тем не менее выпячивание твердого тела Земли происходит за счет, так сказать, трения камня о камень, когда кора тянется кверху и опускается, и этот процесс повторяется снова и снова. Часть энергии вращения Земли затрачивается на это тоже. Конечно, энергия на самом деле не уничтожается. Она не исчезает, а превращается в тепло. Другими словами, в результате приливов и отливов Земля приобретает немножко тепла и немного теряет в скорости вращения. День становится длиннее.
Земля настолько массивна и вращается настолько быстро, что обладает огромным запасом энергии. Даже если большое количество энергии (большое по человеческим понятиям) затрачивается и превращается в тепло при преодолении приливо-отливного трения, день удлиняется очень незначительно. Однако даже очень незначительное увеличение продолжительности дня имеет совокупный эффект.
Предположим, что мы начали с дня с его настоящей продолжительностью 86 400 секунд и что каждый год день будет в среднем на 1 секунду длиннее. По истечении 100 лет он станет длиннее на 100 секунд или 1,5 минуты. Невелика разница.
Предположим, тем не менее, что мы начнем век с часами, которые показывают правильное время. Ко второму году они будут по сравнению с Солнцем спешить на 1 секунду каждый день, к третьему году – на 2 секунды каждый день, к четвертому году – на 3 секунды каждый день и так далее. В конце века, когда число дней, если бы мы следовали за восходами и закатами, было бы 36 524, а наши часы зарегистрировали бы 36 534,8 наборов дней по 86 400 секунд. Короче, имея увеличение длительности дня только на 1 секунду в год, мы накапливаем ошибку почти в 11 дней всего за век.
Конечно, день на самом деле увеличивается значительно меньшими темпами.
В древние времена определенные затмения были зарегистрированы как имевшие место в определенное время дня. Пересчитывая назад, устанавливаем, что они должны были бы произойти в другое время. Расхождение является накопленным результатом очень медленного удлинения дня.
Можно, конечно, усомниться, что древние люди пользовались только самыми примитивными методами измерения времени, и вся их концепция регистрации времени отличалась от нашей. Было бы, следовательно, рискованным делать какие-то выводы на основании того, что они говорили о времени затмений.
Однако в этом случае имеет значение не только время. Полное затмение Солнца можно видеть только с небольшого участка Земли. Если, скажем, затмение должно было произойти за час до расчетного времени, то Земля имела бы больше времени для поворота, и в умеренном поясе затмение произошло бы примерно на 1200 километров восточнее, чем указывают наши расчеты.
Даже если не доверять полностью тому, что говорят древние люди о времени затмения, мы можем быть уверены, что уж место-то затмения они сообщают точно, а это скажет нам о том, что мы хотим знать. По их свидетельствам мы определим суммарную ошибку, а по ней и темп удлинения дня. Вот так и было установлено, что день на Земле удлиняется со скоростью 1 секунда за 62 500 лет.
Это можно представить себе чем угодно, только не катастрофой. День сейчас приблизительно на 1/14 секунды длиннее, чем во времена, когда строили пирамиды.
Несомненно, разница не так велика, чтобы с ней считаться, но исторические времена – это мгновение по сравнению с геологическими эрами. За миллион лет наращивается 16 секунд, а история Земли насчитывает много миллионов лет.
Рассмотрим ситуацию, какой она была 400 миллионов лет назад, когда жизнь, которая до того существовала почти 3 миллиарда лет, наконец стала выходить из воды на сушу. За последовавшие 400 миллионов лет день увеличился на 6400 секунд, если настоящий темп увеличения сохранялся все это время.
Значит, 400 миллионов лет назад день был на 6400 секунд короче, чем сейчас. Поскольку 6400 секунд – это примерно 1,8 часа, жизнь выползла на сушу в мир, в котором день составлял только 22,2 часа. Поскольку нет причин предполагать, что длительность года изменилась за этот период, это также означает, что в году было 395 тех, более коротких дней.
Это только расчет. А нельзя ли найти прямое свидетельство? Оказывается, существуют ископаемые кораллы, которые образовались примерно 400 миллионов лет назад. Такие кораллы растут в течение дня одним темпом, в течение ночи – другим, и одним темпом летом, другим – зимой. В результате на их поверхности остаются отметки, очень похожие на кольца деревьев, которые отмечают дни и ночи.
В 1963 году американский палеонтолог Джон Вест Уэллс тщательно изучил эти ископаемые кораллы и нашел около 400 тонких отметок на каждую грубую отметку. Это означает, что в те древние времена, 400 миллионов лет назад, в году было около 400 дней. А если так, то каждый день продолжался 21,9 часа.
Это довольно близко к расчетам. На удивление близко, поскольку есть причина полагать, что темп удлинения (или укорачивания, если идти вспять) не обязательно постоянен. Существуют факторы, меняющие темп, с которым теряется энергия вращения. Расстояние до Луны изменяется (как мы скоро увидим) со временем, то же самое происходит с очертаниями континентов, мелями в морях и так далее.
Однако предположим (шутки ради), что день удлинялся этим неизменным темпом всю историю Земли. В таком случае, как быстро вращалась Земля 4,6 миллиарда лет назад, когда она только что образовалась? Это легко подсчитать, полагая, что величина изменения длительности дня постоянна. Период вращения Земли при ее рождении был 3,6 часа.
То есть, конечно, не обязательно так. Более сложные расчеты показывают, что день при самой своей короткой продолжительности был около 5 часов. Но не исключено, что и Луна не сопровождала Землю с самого начала, что она была захвачена лишь некоторое время спустя после образования Земли, и приливо-отливные явления начались менее чем 4,6 миллиарда лет назад, и, может быть, даже значительно менее. В таком случае день в начальные времена существования Земли был примерно 10 или даже 15 часов.
Пока мы еще не можем быть уверены. У нас нет прямого свидетельства о длительности дня в самые ранние периоды истории Земли.
Во всяком случае, более короткий день в далеком прошлом сам по себе не имеет большого значения для жизни. Определенное пятно на земной поверхности в течение короткого дня имело бы меньше времени разогреться и меньше времени остыть за короткую ночь. Следовательно, температура первобытной Земли имела тенденцию быть несколько более ровной, чем сейчас, и вполне очевидно, что живые организмы могли жить и жили при этом. Собственно, условия были даже более благоприятными для жизни, чем сейчас.
Что же, однако, насчет будущего и продолжающего удлиняться дня?
Удаляющаяся Луна
Пройдут миллионы лет, и день будет все удлиняться, поскольку приливы и отливы никуда не денутся. Когда же это кончится? Мы можем получить представление об этом, если рассмотрим Луну, которая подвергается влиянию приливов и отливов Земли, когда Земля подвергается лунным.Масса Земли в 81 раз больше, чем у Луны, так что, при прочих равных, ее приливо-отливное влияние на Луну должно быть в 81 раз больше, чем влияние Луны на нас. Однако не все так просто. Луна меньше Земли, поперечник Луны немного больше четверти поперечника Земли. По этой причине гравитационное притяжение претерпевает меньшее падение от одной стороны Луны до другой, и это снижает приливо-отливный эффект. Учитывая размер Луны, приливо-отливное воздействие Земли на Луну в 32,5 раза больше, чем Луны на Землю.
Все же это означает, что Луна подвергается гораздо большим потерям, когда вращается, и поскольку масса ее значительно меньше, чем масса Земли, у нее для потери меньше энергии вращения. Период вращения Луны, следовательно, должен удлиняться гораздо большим темпом, чем у Земли, и сейчас он должен быть довольно большим.
Так оно и есть. Период вращения Луны относительно звезд сейчас 27,3 дня. Это оказывается равно периоду ее оборота вокруг Земли относительно звезд, так что Луна, когда вращается, всегда повернута к Земле одной своей стороной.
Это не случайность, не невероятное совпадение. Период вращения Луны рос до тех пор, пока не стал достаточно большим, так что Луна подставляла Земле всегда одну и ту же сторону. Как только это произошло, приливо-отливная деформация всегда присутствует в одних и тех же точках на поверхности Луны, одна с видимой с Земли стороны направлена в сторону Земли, другая со стороны, никогда не видимой с Земли, направлена в сторону от Земли. Луна больше не вращается относительно этой приливо-отливной деформации, и больше нет преобразования вращения в тепло. Луна, так сказать, гравитационно заперта на месте.
Раз вращение Земли замедляется, значит, в конечном счете она станет вращаться так медленно, что всегда будет направлена одной стороной в сторону Луны и тоже будет гравитационно заперта на месте.
Означает ли это, что Земля станет вращаться так медленно, что ее день будет по длительности 27,3 продолжительности настоящего дня? Нет, будет значительно хуже, и вот по какой причине: можно превратить энергию вращения в тепло, поскольку это вопрос превращения одного вида энергии в другой и не нарушает закон сохранения энергии. Однако вращающийся объект имеет также и угловой момент, который не может быть превращен в тепло. Он может быть только перенесен.
Если мы рассматриваем систему Земля-Луна, то и Земля, и Луна – каждая обладает угловым моментом по двум причинам: каждая вращается вокруг своей оси и каждая оборачивается вокруг общего центра гравитации. Последний расположен на линии, соединяющей центр Луны и центр Земли. Если бы Земля и Луна были в точности равны по массе, то общий центр гравитации был бы расположен как раз на полпути между ними. Поскольку Земля более массивна, чем Луна, общий центр гравитации расположен ближе к центру Земли. Фактически, поскольку Земля в 81 раз массивнее Луны, общий центр гравитации в 81 раз дальше от центра Луны, чем от центра Земли.