Если бы Земля вращалась иначе

Как ни странно, продолжительность суток в большинстве фантастических произведений принимается как константа. Даже в самых экзотических мирах сутки чаще всего равны 24 часам или хотя бы близки к этому значению; год при этом также обычно равен земному и разделён на 12 месяцев. Такой подход помогает не запутаться в местном летоисчислении. Но мир, причём не только фантастический, но и реальный, может жить совсем по иным астрономическим часам.

Сутки

Как известно, длительность суток зависит от периода обращения планеты вокруг собственной оси, причём этот период может колебаться в довольно широких пределах. Например, меркурианские сутки длиннее земных в 58,7 раза, а венерианские — и вовсе в 116,8 раза. Сама Земля четыре миллиарда лет назад делала один оборот всего за восемь часов, и, если бы не Луна, отнимающая у планеты часть энергии, сутки и сейчас были бы примерно втрое короче.

Очень медленное вращение Венеры, возможно, объясняется тем,

что в прошлом она имела необычайно массивный спутник — Меркурий.

На нынешний момент рекордсменом Солнечной системы по скорости вращения является Юпитер, делающий один оборот за 9,5 часа. Верхние слои атмосферы этого гиганта несутся со скоростью 12,6 км/с. Это больше второй космической скорости для Земли и составляет около 30% от первой космической скорости для самого Юпитера. На его экваторе центробежная сила «съедает» почти треть веса.

Земле для такого эффекта пришлось бы делать оборот за четыре часа. Практическим же последствием стремительного вращения на «влажной» планете станет затопление экваториальной области, поскольку вода за счёт роста центробежной силы «стянется» к экватору. Помимо того, у полюсов значительно возрастёт ускорение свободного падения.

Короткие сутки благоприятно влияют на климат, сокращая разницу между дневными и ночными температурами. Растениям, а также мелким и малоподвижным животным небольшая продолжительность дня (или ночи, если они активны в темноте) неудобств не создаст. Но вот крупные звери за пару часов далеко не всегда успеют завершить дневные дела, в том числе охоту. Так что хищникам, видимо, придётся научиться равно эффективно действовать при любой освещённости.

Значительно более длинные (в два или три раза) сутки также изменят жизнь на планете — сложно судить, к лучшему или к худшему. Жаркие пустыни к вечеру будут раскаляться так, что их жителям придётся скрываться в подземных убежищах, к утру же барханы покроет иней. А вот день, тянущийся неделями (и тем более вечный день, если планета всегда повёрнута к светилу одним боком) будут означать адское пекло на дневной стороне, ледник на ночной и неутихающую бурю у терминатора. В то же время для мира, находящегося слишком близко или слишком далеко от светила, это может стать преимуществом: пригодным для жизни окажется хотя бы одно из полушарий.

Верхние слои атмосферы Юпитера на экваторе завершают оборот на несколько минут 
раньше, чем вблизи полюсов. Ядро же планеты вращается быстрее атмосферы.

Если в системе больше одной звезды, то понятие «сутки» вообще теряет привычный смысл. В зависимости от расположения солнц «день» может наступить на обоих полушариях одновременно, или на одном из них будет ночь, а на другом — «двойной день». Правда, вероятность существования в ближайшей к нам тройной системе альфы Центавра обитаемых планет, подобных Пандоре из нашумевшего «Аватара», невысока. Две главные звезды обращаются там вокруг общего центра тяжести на расстоянии всего 23 астрономических единиц друг от друга (чуть больше, чем между Солнцем и Ураном). В таких условиях планета едва ли сможет миллиарды лет находиться на стабильной орбите.

Но «неудобны» для жизни лишь «тесные» двойные системы. Если бы второе солнце находилось на расстоянии хотя бы 50 а.е., его гравитация влияла бы на Землю не больше, чем притяжение Юпитера (хотя дальние планеты имели бы нестабильные орбиты). А с Земли подобное светило казалось бы не более чем очень яркой звездой. Ночами второе солнце давало бы значительно больше света, чем полная Луна, но практически не грело бы. Видимо, в подобных условиях гораздо комфортнее чувствовали бы себя ночные животные и насекомые. И, конечно, влюблённые парочки.

Мелкие животные, руководствующиеся не зрением, а обонянием,

могут иметь «биологические сутки» (цикл сон/бодрствование), 

равные 3-4 часам и не кратные солнечным суткам.

В качестве второго компонента системы можно представить себе и что-нибудь более экзотическое. Например, пульсар или чёрную дыру. Правда, подобные объекты возникают после катастроф поистине космического масштаба, практически невидимы и вряд ли украсят звёздное небо. Хорошо смотрелся бы красный гигант — звезда лишь немногим более тяжёлая, чем Солнце, но имеющая в 200 раз больший диаметр. Её плотность меньше плотности воздуха, а светимость в тысячи раз больше солнечной. На расстоянии в 50 а.е. красный гигант не только имел бы видимый диск, но и согревал бы внешние планеты первого компонента системы (то есть Солнца). Даже жаль, что срок жизни солнцеподобной звезды на этой стадии — всего 100 миллионов лет.

Может ли чёрная дыра быть равновесным компонентом системы?

Сложно сказать. Мы слишком мало знаем об этом явлении

Месяц

Как уже было упомянуто выше, Луна существенно влияет на период обращения планеты вокруг собственной оси – именно её положительное влияние способствует более или менее выносимым климатическим условиям на нашей планете. Слишком длинные сутки, скорее всего, будут означать значительное ослабление магнитного поля, защищающего планету от излучений, а слишком быстрое вращение, возможное при отсутствии массивного спутника, скорее всего, приведёт к уменьшению сейсмической активности — в этом случае планета рискует потерять океаны и атмосферу. Так что Луна — вещь небесполезная.

Но на сутки Луна всё-таки влияет косвенно, а вот продолжительность месяца — как лунного, так и нормированного календарного – обусловлена периодом вращения Луны вокруг Земли и напрямую зависит от физических свойств спутника. Расчёт месяца для планеты, вокруг которой вращается несколько спутников, является, к слову, весьма нетривиальной задачей.

Вообще-то в системе Альфа Центавра нет газовых гигантов, подобных Полифему из «Аватара» (на заднем плане именно он). Но это только повышает вероятность существования там планет земного типа

Стоит отметить, что, в отличие от дня и года, месяц – это субъективная единица измерения времени, и изменение его длительности повлияет не на жизненный цикл людей и животных, а на периодичность некоторых природных явлений, и пройдёт для человечества достаточно безболезненно. Например, если Луна внезапно станет значительно тяжёлее, нежели сейчас (например, «приняв» разом несколько серьёзных метеоритных ударов), это спровоцирует бурное выделение приливной энергии. Впоследствии траектория взаимного вращения стабилизируется и для Земли, и для её спутника; приливные явления ослабеют, но не исчезнут совсем, так как орбита в любом случае представляет собой более или менее вытянутый эллипс и обязательно имеет некоторый наклон к экватору. Спутник примется выписывать заметные восьмёрки на небосводе, то приближаясь, то удаляясь. Примером такой системы служит двойная малая планета Плутон-Харон. Впрочем, и современная Луна не находится относительно Земли в абсолютно стабильном положении: небольшие, но заметные её отклонения называются либрациями и позволяют нам наблюдать не ровно 50%, а 52% светлой стороны спутника.

Приливы не только разнообразят жизнь приморских народов, но и подогревают недра планеты, повышая сейсмическую активность. Больше всего в этом отношении повезло спутникам планет-гигантов, таким как вращающаяся вокруг вымышленного Полифема кэмероновская Пандора. Они могут получать энергию от главного тела системы, не рискуя прекратить собственное вращение.

Значительно интереснее представить себе обитаемый мир с кольцом. В Солнечной системе кольцами обладают все газовые гиганты, хотя для планет земного типа такое украшение нехарактерно. Общепринятой является гипотеза, согласно которой крупные кольца возникают в результате разрушения лун, оказавшихся на орбите, меньшей радиуса Роша (в зависимости от структуры спутника он составляет от 1,26 до 2,44 радиуса планеты).

Земная гравитация разрушит каменный спутник на высоте порядка 4500 км – правда, подобное разрушение вероятно лишь при наличии нескольких лун (по этой причине у планет земного типа и нет колец). В указанной ситуации первые сотни миллионов лет взаимное притяжение спутников делает их орбиты нестабильными, и прежде, чем тела займут «равновесные» положения, некоторые из этих тел могут опуститься ниже предела Роша.

Кольца Сатурна значительно заметнее юпитерианских

Кольца Сатурна представляют собой останки спутника массой примерно с Луну и состоят из ледяных осколков диаметром от сантиметра до нескольких метров. Кольцо, опоясывающее Землю, могло бы образоваться в результате захвата и разрушения крупного астероида, при этом лишь тысячная часть материала вошла бы в состав кольца. Сталкиваясь, фрагменты распавшегося тела распределялись бы в одной плоскости на непересекающихся орбитах, а наиболее крупные из них, потеряв скорость, упали бы на планету. Формам жизни, существовавшим миллиарды лет назад, такая бомбардировка вряд ли повредила бы, а впоследствии частота падений значительно снизилась бы — вплоть до полного прекращения.

Земное кольцо отличалось бы от колец Сатурна. Лёд испарился бы, а пыль унёс бы солнечный ветер, в сто раз более сильный, чем на орбите Сатурна. Остались бы лишь многометровые обломки, образующие бледную тоненькую полосу, только в очень тёмную ночь заметную на небе. Взявшись осваивать околоземное пространство, люди нашли бы применение десяткам миллионов тонн строительных материалов.

Толком предсказать влияние подобного «раздробленного спутника» на приливы и отливы, к сожалению, практически невозможно. Скорее всего, они стали бы менее заметными, так сказать, равномерными. Календарный месяц к Луне за её отсутствием не привязывался бы, и можно было бы задать любую его продолжительность.

Троянские спутники

Во вселенной «Аватара» по той же орбите, что и гигант Полифем, луной которого является Пандора, движется ещё одна предположительно пригодная для жизни планета — Океан. Такая ситуация вполне возможна. Тело, помещённое на орбиту планеты с опережением или отставанием на 60 градусов (планета, звезда и спутник при этом образовывают равносторонний треугольник), оказывается в устойчивом равновесии. В нашей системе десятки «троянских» спутников имеет Юпитер, несколько штук Нептун, четыре мелких «камешка» досталось Марсу. В системе же звезды KOI-730 обнаружены две крупные планеты, делящие одну орбиту.

Спутники Сатурна, 300-километровые Тефия и Диона, имеют по паре «троянцев»: на орбите Тефии находятся Телесто и Калипсо, у Дионы же есть Елена и Полидевк.

На снимке — Диона

Даже у Земли недавно обнаружен «троянец» — 300-метровая скала 2010 ТК7. Но практическая ценность открытия невелика. Астероид находится втрое дальше от нас, чем бывает Марс в моменты противостояния, и полёт к нему требует разгона корабля до вдвое большей скорости, чем при полёте к Марсу.

Фантастов же давно волнует идея Противоземли — планеты, расположенной на земной орбите, но по другую сторону от Солнца и поэтому недоступной для наблюдения. Именно такое положение в Солнечной системе занимает Гор из цикла Джона Нормана. Но на самом деле равновесие в коллинеарных точках либрации (все три тела на одной линии) неустойчиво, да и межпланетные аппараты, заглянув за Солнце, установили, что ничего интересного там нет.

Год

Эффект продолжительного стояния в верхней точке эллиптической орбиты использовался при запуске советских спутников связи «Молния», на 3,5 часа «замиравших» на высоте 40 000 км над плато Путорана

Продолжительность года обусловлена периодом обращения планеты вокруг её звезды. В мирах, более или менее пригодных для развития жизни, она не будет сильно различаться. Так или иначе планета должна быть подобна нашей, звезда — Солнцу, и радиус планетарной орбиты должен примерно соответствовать радиусу орбиты Земли. Хотя даже если взять звезду с иной массой и светимостью, ситуация существенным образом не изменится: к тусклому красному карлику «влажная» планета будет находиться намного ближе, но и её орбитальная скорость будет меньше из-за более слабой гравитации звезды.

Но всё это касается планет, движущихся по круговым (или близким к ним) орбитам. Если же орбита представляет собой вытянутый эллипс, продолжительность года может стать больше. Естественно, нет смысла рассматривать миры, уносящиеся от светила настолько далеко, что в лёд обратятся даже атмосферные газы: населены такие планеты могут быть лишь простейшими. А вот обратная ситуация (например, кратковременный «визит» описываемой планеты на орбиту Меркурия) не будет гибельным для высших форм жизни: пребывание «в пекле» окажется весьма непродолжительным.

Скорость тела на круговой орбите постоянна. Двигаясь же по эллипсу, планета стремительно проносится через низшую точку орбиты (перигей) и почти замирает в апогее. Ведь при приближении к светилу движение ускоряется гравитацией, а при удалении — тормозится.

Наиболее реальный вариант подобного расклада — это планета, «странствующая» между орбитами Марса и Венеры. И в апогее, и в перигее условия на ней не будут подходить для сохранения воды в жидком агрегатном состоянии, но ни испариться целиком, ни промёрзнуть на большую глубину океаны попросту не успеют.

Период обращения по такой орбите составит около двух лет. За счёт разницы скоростей в апогее и перигее три четверти планетарного года займёт «зима», зато уж «лето», продолжающееся не больше, чем на Земле, запомнится экстремальным зноем. Заключение слов «зима» и «лето» в кавычки означает, что природа этих явлений не будет связана с изменением угла, под которым падают солнечные лучи. Впрочем, если ось вращения планеты наклонена, смена сезонов в традиционном понимании тоже может наблюдаться: в таком случае одно из полушарий, где лето приходится на момент прохождения перигея, будет тёплым, противоположное же почти наверняка полностью покроется ледяной шапкой. Лёд не растает и при прохождении планетой орбиты Венеры, хотя припекать будет основательно. Снежная шапка просто отразит большую часть солнечных лучей.

Климат на «планете-бродяге» окажется прохладнее земного, поскольку на удалении от солнца она проведёт больше времени, чем вблизи него. «Комфортных» зон не будет вообще, в перигее жара на экваторе будет лютой, зато зимой, когда в высоких широтах температура может опускаться до минус ста и ниже по Цельсию, вода так полностью и не замёрзнет, то есть, как говорится, «жить можно».

Тепловая инертность крупных водоёмов огромна. Например, Ладожскому озеру требуется три месяца для того, чтобы покрыться льдом, и столько же — чтобы оттаять.

kikiwis [CC BY 3.0], via Wikimedia Commons

Животным на такой планете придётся ежегодно совершать миграции, в период удаления от Солнца перебираясь на юг и отступая к ледникам, когда вода в реках из тёплой превратится в горячую. Малоподвижным существам и растениям понадобится выработать другие механизмы приспособления. Леса, вероятно, будут редкостью, самые выносливые деревья приживутся лишь в субтропиках. Большую же часть суши на планете покроют степи, зеленеющие весной и осенью, выгорающие летом и скрывающиеся под снегом зимой.

* * *

Подытоживая, можно сказать, что мы с вами живём на идеальной планете. Наш год достаточно чётко делится на четыре сезона, причём почти в любом месте на Земле (кроме разве что полюсов) жизнь вполне возможна в любой из сезонов. Да, где-то труднее, где-то легче, но ничего выходящего за пределы человеческих возможностей. То же касается дня: фауна и флора Земли приспособилась к 24-часовому циклу и чувствует себя в нём просто отлично. Так что берегите планету, которая нам досталась, другой такой, может быть, и не существует!

Мы живём на лучшей планете во Вселенной!

Игорь Край