Усещали ли сте някога, че няма достатъчно време през деня?
Оказва се, че може да имате основание.
Земята се върти по-бързо, отколкото през последния половин век, което води до това, че дните ни са малко по-кратки, отколкото сме свикнали.
На 9 март, например денонощието е продължило 24 часа -0,50 милисекунди или 23 часа, 59 минути, 59.9994999 секунди. Това е времето, необходимо на Земята да се завърти с 23.26 см, измерено на екватора.
И макар че разликата е много малка, тя се превръща в голямо главоболие за физици, компютърни програмисти и дори борсови посредници.
Защо се върти Земята
Нашата слънчева система се е образувала преди около 4,5 милиарда години, когато плътен облак от междузвезден прах и газ се уплътнява и започва да се върти. Има остатъци от това оригинално движение в сегашното въртене на нашата планета, благодарение на ъгловия момент – по същество „едно тяло, което се върти, ще продължи да се върти, докато нещо активно се опита да го спре“, обяснява Питър Уибърли (Peter Whibberley), старши изследовател в Националната физическа лаборатория на Великобритания.
Днес познаваме с невероятна прецизност орбитите на планетите и сме наясно, че в Слънчевата система царува ред - четирите вътрешни планети, астероидният пояс и четирите газови гиганта - всички че те обикалят около Слънцето в една и съща двуизмерна равнина, с точност до най-много 7° разлика. Кредит: Outer Places
Има една физическа величина, която трябва да бъде запазена: ъгловият момент, който ни показва колко се върти цялата система - газ, прах, звезда и всичко останало.
Начинът, по който работи ъгловият момент и как той се разпределя между всички частици на системата, всъщност показва, че всичко в диска трябва да се движи, грубо казано, в една посока - по посока на часовниковата стрелка или срещу нея. С течение на времето този диск ще достигне стабилни размери и плътност, а след това малките гравитационни нестабилности ще започнат да трансформират тези нестабилности в планети.
Благодарение на този ъглов момент нашата планета се върти от милиарди години и затова имаме нощ и ден.
Но не винаги се е въртяла с еднаква скорост.
Въртенето на Земята постепенно се забавя
Въртенето на Земята постепенно се забавя с около 0.002 секунди на денонощие, поради един вид спирачна сила, причинена от гравитационното притегляне между Земята, Луната и Слънцето. За около 4.5 милиарда години денонощието се е увеличило със шест часа. Преди около 350 милиона години един оборот на Земята е ставал за 23 часа. Днес разбира се са нужни около 24 часа. И дните постепенно ще стават по-дълги.
И Слънцето, и Луната оказват гравитационно въздействие върху Земята. Ако Земята беше само една точка в пространството, това не би имало значение. Земята ще се движи по своята елиптична орбита около Слънцето, системата Земя - Луна ще обикаля около масовия си център и нищо няма да се промени. Но тъй като Земята е сфера, а Слънцето и Луната оказват по-голямо гравитационно привличане на тази страна на Земята, която е по-близо до тях, отколкото върху страната, която е по-далеч. Добавено към въртенето на Земята, се получават не само приливи, но също и приливно забавяне на земното въртене!
Но този процес на забавяне не е плавен.
Въпреки това леко забавяне на Земята продължителността на всеки ден варира по непредсказуем начин. През 2017 година например най-дългият ден на 21 юни е бил с 3 секунди по-дълъг от последващите дни на лятното слънцестоене.
Формация Туше.
Ако се вгледаме в най-древните пластове, които познаваме на Земята, от преди 620 милиона години, ще открием, че едно денонощие тогава е било малко по-дълго от 22 часа. Ако екстраполираме това приливно забавяне от времето към момента, когато е била създадена Земята, преди 4,5 милиарда години, ще открием, че един ден първоначално е бил само около 23 000 секунди или шест и половина часа.
Освен триенето има няколко изравнителни фактора. Топенето на ледниците, което се случва от края на последната ледникова епоха преди 12 000 години (и сега се засилва поради глобалното затопляне ), всъщност ускорява леко въртенето на Земята, съкращавайки дните с няколко части от милисекундата. По подобен начин геоложката активност в ядрото на планетата, земетресенията, океанските течения и сезонните промени на вятъра също могат да ускорят или забавят въртенето на Земята.
Когато комбинират всички тези фактори, учените установяват, че най-дългият ден в историята на Земята (досега) вероятно е бил през 1912 г. Тогавашното лятно слънцестоене е било най-дълго продължила дневна светлина, която Северното полукълбо някога е виждало (и обратно, зимното слънцестоене през 1912 г. е било с най-дългата нощ, която някога сме виждали).
В крайна сметка ефектите от приливното триене ще преодолее всички останали фактори, а дните на Земята ще станат по-дълги и по-дълги, тъй като въртенето й ще продължи да се забавя (принуждавайки часовниците периодично да добавят допълнителн секунди. Което означава, че в бъдеще ще има много летни слънцестоения, които чупят рекорда всяка година за "най-дългия ден в историята на Земята".
Нов начин за проследяване на времето
Тъй като учените разполагат с все по-добри инструменти за наблюдение на въртенето на Земята и следене на времето, те разбират, че се появяват малки колебания в това колко време е необходимо, за да направим пълно завъртане.
През 50-те години на миналия век учените разработиха атомни часовници , които отчитат времето въз основа на това как електроните в атомите на цезий падат от високоенергийно, възбудено състояние обратно към нормалното си. Тъй като периодите на атомните часовници се генерират от това неизменно атомно поведение, те не се изхвърлят от външни промени като температурни измествания по начина, по който традиционните часовници могат.
През годините обаче учените забелязаха проблем: безупречно стабилните атомни часовници леко се изместват спрямо времето, което останалата част от света запазва.
„С течение на времето има постепенно разминаване между времето на атомните часовници и времето, измерено от астрономията, тоест от позицията на Земята или луната и звездите“, разказва Джуда Левайн (Judah Levine), физик по времето и честотата отдел на Националния институт по стандарти и технологии (NIST). По принцип една година, записана от атомните часовници, беше малко по-кратка от същата година, изчислена от движението на Земята. „За да се предотврати това разминаване да не стане твърде голямо, през 1972 г. беше взето решение периодично да се добавят високосни секунди към атомните часовници“, разказва Левайн.
Високосните секунди работят малко като високосните дни, които прикачваме към края на февруари на всеки четири години, за да компенсираме факта, че всъщност са необходими около 365,25 дни за обиколка на Земята около Слънцето. Но за разлика от високосните години, които идват постоянно на всеки четири години, високосните секунди са непредсказуеми.
Международната служба за въртене на Земята и референтни системи следи колко бързо се върти планетата, като изпраща лазерни лъчи до спътници за измерване на тяхното движение, заедно с други техники. Когато времето, начертано от движението на Земята, се приближи до една секунда извън синхрона с времето, измерено от атомните часовници, учените от целия свят се координират, за да спрат атомните часовници точно за една секунда, в 23:59:59 ч. на 30 юни или 31 декември, за да позволяват на астрономическите часовници да наваксат.
Досега е имало 27 високосни секунди и всички те са положителни. Таблицата по-долу показва средната годишна продължителност на деня от 1973 г.
| Средна продължителност на денонощието* по универсално време (UT1) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Година | Средно дено-нощие | Обща годишна разлика | Най-кратко дено-нощие | Най-дълго дено-нощие | Добавена е секунда |
| 2022 | -0,23 мс | -83,46 мс | 26 юли -1,60 мс | 5 юни +2,25 мс | - |
| 2021 | -0,18 мс | -65,15 мс | 9 юли -1,46 мс | 26 април +1,00 мс | - |
| 2020 | -0,00 мс | -1,30 мс | 19 юли -1,47 мс | 8 април +1,62 мс | - |
| 2019 | +0,39 мс | +141,25 мс | 16 юли -0,95 мс | 22 март +1,68 мс | - |
| 2018 | +0,69 мс | +252,47 мс | 30 юни -0,64 мс | 4 февруари +1,69 мс | - |
| 2017 | +1,03 мс | +375,01 мс | 4 август +0,06 мс | 25 април +2,20 мс | - |
| 2016 | +1,34 мс | +490,76 мс | 18 юли -0,03 мс | 10 март +2,49 мс | 31 декември |
| 2015 | +1,25 мс | +458,03 мс | 17 юни +0,19 мс | 26 октомври +2,31 мс | 30 юни |
| 2014 | +0,99 мс | +362,96 мс | 24 юли +0,02 мс | 26 април +2,02 мс | - |
| 2013 | +1,02 мс | +373,99 мс | 6 юли -0,35 мс | 28 март +1,97 мс | - |
| 2012 | +0,83 мс | +304,11 мс | 16 юли -0,35 мс | 5 април +1,87 мс | 30 юни |
| 2011 | +0,76 мс | +277,94 мс | 27 юли -0,34 мс | 14 май +1,85 мс | - |
| 2010 | +0,70 мс | +254,74 мс | 23 юли -0,76 мс | 1 март +2,09 мс | - |
| 2009 | +0,80 мс | +293,37 мс | 6 юли -0,43 мс | 22 април +1,81 мс | - |
| 2008 | +0,87 мс | +319,49 мс | 16 юли -0,41 мс | 5 април +1,91 мс | 31 декември |
| 2007 | +0,85 мс | +310,81 мс | 27 юли -0,63 мс | 16 април +2,31 мс | - |
| 2006 | +0,82 мс | +300,88 мс | 12 юни -0,40 мс | 7 октомври +2,26 мс | - |
| 2005 | +0,43 мс | +157,76 мс | 5 юли -1,05 мс | 27 февруари +1,73 мс | 31 декември |
| 2004 | +0,31 мс | +114,01 мс | 15 юли -1,05 мс | 5 април +1,56 мс | - |
| 2003 | +0,27 мс | +100,16 мс | 13 юли -0,96 мс | 19 март +1,55 мс | - |
| 2002 | +0,48 мс | +173,79 мс | 6 август -0,74 мс | 2 март +1,66 мс | - |
| 2001 | +0,57 мс | +208,94 мс | 2 август -0,71 мс | 11 март +1,64 мс | - |
| 2000 | +0,72 мс | +262,42 мс | 11 август -0,25 мс | 26 октомври +1,58 мс | - |
| 1999 | +0,99 мс | +361,19 мс | 30 юни -0,13 мс | 15 април +1,93 мс | - |
| 1998 | +1,37 мс | +501,72 мс | 9 юли +0,01 мс | 1 март +2,66 мс | 31 декември |
| 1997 | +1,84 мс | +671,08 мс | 4 юли +0,52 мс | 6 април +2,98 мс | 30 юни |
| 1996 | +1,82 мс | +666,37 мс | 10 август +0,67 мс | 12 май +2,68 мс | - |
| 1995 | +2,31 мс | +843,66 мс | 25 юли +0,81 мс | 17 март +3,29 мс | 31 декември |
| 1994 | +2,19 мс | +800,86 мс | 6 юли +0,86 мс | 27 февруари +3,36 мс | 30 юни |
| 1993 | +2,36 мс | +862,66 мс | 17 юли +1,25 мс | 2 май +3,49 мс | 30 юни |
| 1992 | +2,22 мс | +812,25 мс | 12 юли +0,84 мс | 18 март +3,59 мс | 30 юни |
| 1991 | +2,04 мс | +743,88 мс | 27 юни +0,79 мс | 1 март +3,00 мс | - |
| 1990 | +1,95 мс | +710,04 мс | 20 юли +0,63 мс | 26 март +3,28 мс | 31 декември |
| 1989 | +1,52 мс | +555,00 мс | 2 юли +0,25 мс | 10 Nov +2.82 ms | 31 декември |
| 1988 | +1,31 мс | +480,30 мс | 12 юли -0,09 мс | 20 февруари +2,76 мс | - |
| 1987 | +1,36 мс | +497,35 мс | 23 юли -0,06 мс | 1 март +2,67 мс | 31 декември |
| 1986 | +1,24 мс | +451,06 мс | 2 август -0,04 мс | 23 април +2,30 мс | - |
| 1985 | +1,45 мс | +528,83 мс | 16 юли +0,11 мс | 9 март +2,64 мс | 30 юни |
| 1984 | +1,51 мс | +554,42 мс | 12 юли +0,16 мс | 18 март +2,77 мс | - |
| 1983 | +2,28 мс | +832,08 мс | 23 юли +1,01 мс | 1 февруари +3,57 мс | 30 юни |
| 1982 | +2,16 мс | +789,64 мс | 2 август +0,84 мс | 23 април +3,14 мс | 30 юни |
| 1981 | +2,15 мс | +786,03 мс | 16 юли +0,82 мс | 8 март +3,42 мс | 30 юни |
| 1980 | +2,30 мс | +842,04 мс | 8 август +1,34 мс | 23 октомври +3,24 мс | - |
| 1979 | +2,61 мс | +953,02 мс | 23 юли +1,46 мс | 27 март +3,65 мс | 31 декември |
| 1978 | +2,88 мс | +1051,83 мс | 31 юли +1,49 мс | 9 март +3,83 мс | 31 декември |
| 1977 | +2,77 мс | +1012,60 мс | 14 юли +1,46 мс | 4 април +3,72 мс | 31 декември |
| 1976 | +2,91 мс | +1064,67 мс | 26 юни + 1,87 мс | 21 октомври +3,90 мс | 31 декември |
| 1975 | +2,69 мс | +980,87 мс | 20 юли +1,54 мс | 1 Nov +3.72 ms | 31 декември |
| 1974 | +2,72 мс | +991,99 мс | 30 юли +1,57 мс | 5 април +3,79 мс | 31 декември |
| 1973 | +3,04 мс | +1106,21 мс | 2 януари +0,00 мс | 2 април +4,03 мс | 31 декември |
| * Прогнозират се средната продължителност на денонощието за текущата година и общата годишна разлика. | |||||
Как се измерва истинската дължина на деня?
Астрономите и хронометристите изразяват средното слънчево време като универсално време (UT1), времеви стандарт, базиран на средната скорост на въртене на Земята. След това UT1 се сравнява с международното атомно време (TAI), свръхточна времева скала, изчислена от мрежа от атомни часовници.
Действителната продължителност на деня се изразява като отклонение на UT1 от TAI за 24 часа.
Неочаквана промяна
Откакто първата високосна секунда е добавена през 1972 г., учените добавят високосни секунди на всеки няколко години. Те се добавят неравномерно, защото въртенето на Земята е нестабилно, с периодични периоди на ускоряване и забавяне, които прекъсват продължаващото милиони години постепенно забавяне на планетата.
„Скоростта на въртене на Земята е сложен процес. Тоа е свързано с обмяна на ъглов импулс между Земята и атмосферата и ефектите на океана и ефекта на Луната“, обянява Левайн. „Не може да се предвиди какво ще се случи много далеч в бъдещето."
Но през последното десетилетие забавянето на въртенето на Земята всъшност се забави. Не е имало добавена високосна секунда от 2016 г., а нашата планета в момента се върти по-бързо, отколкото от половин век. Учените не са сигурни защо.
„Тази липса на нужда от високосни секунди не беше предвидена“, разказва Левайн. „Предположението всъщност беше, че Земята ще продължи да се забавя и ще продължат да са необходими високосни секунди. И така този ефект, този резултат е много изненадващ."
Експериментална настройка на атомен часовник, използващ облак от стронциеви атоми
Проблемът с високосните секунди
В зависимост от това колко се ускорява въртенето на Земята и колко дълго продължава тази тенденция, учените може да се наложи да предприемат действия.
„В момента има опасения, че ако скоростта на въртене на Земята се увеличи още повече, може да се наложи да имаме така наречената отрицателна прескачаща секунда“, казва Уибърли. „С други думи, вместо да вмъкнем допълнителна секунда, за да позволим на Земята да навакса, трябва да извадим секунда от атомната времева скала, за да я съгласуваме с въртенето на Земята."
Но отрицателна високосна секунда би поставила учените пред изцяло нов набор от предизвикателства.
„Никога преди не е имало отрицателен скок в секундата и притеснението е, че софтуерът, който би трябвало да се справи, и който никога досега не е тестван в това оперативно“, добавя Уибърли.
Независимо дали се изисква обикновена високосна секунда или отрицателна високосна секунда, всъщност тези малки промени могат да бъдат огромно главоболие за индустрии, вариращи от телекомуникации до навигационни системи. Това е така, защото високосните секунди се намесват във времето по начин, с който компютрите не са подготвени да се справят.
„Основният гръбнак на интернет е, че времето е непрекъснато“, отбелязва Левайн.
Когато няма стабилно, непрекъснато подаване на информация, нещата се разпадат. Повтарянето на секунда или прескачането й препъва цялата система и може да причини пропуски в това, което се предполага, че е постоянен поток от данни. Високосните секунди също представляват предизвикателство за финансовата индустрия, където всяка транзакция трябва да има свой собствен уникален времеви печат – потенциален проблем е когато тази 23:59:59 секунда се повтаря.
Някои компании са потърсили свои собствени решения, например като "размиването" на тези секунди от Google. Вместо да спира часовника, за да позволи на Земята да настигне атомното време, Google прави всяка секунда малко по-дълга в часовете преди и след всеки скок.
„Това е начин да се направи“, казва Левайн, „но това не е в съответствие с международния стандарт за това как се дефинира времето.“
Времето като инструмент
В голямата схема на нещата обаче говорим за много малки стойности време - само една секунда на всеки няколко години. Преживели сме много високосни секунди и вероятно дори не сме ги усещалли. И ако разглеждаме времето като инструмент за измерване на нещата, които виждаме в света около нас, като прехода от един ден към следващия, тогава би трябвало да се следва времето, определено от движението на Земята, а не от електроните в атомен часовник - без значение колко точни могат да бъдат.
Левайн смята, че високосните секунди може да не си струват неприятностите, които причиняват:
„Моето лично мнение е, че лечението е по-лошо от болестта. Ако спрем да настройваме часовниците си, за да отчитаме високосните секунди, ще е нужен дори век, за да получим една минута отклонение от „истинското“ време, регистрирано от атомните часовници."
И все пак той признава, че макар да е вярно, че времето е просто конструкция, категорично човешки опит да осмислим преживяванията си в голямата странна вселена, „вярно е също, че че в 12 часа на обяд, Слънцето е над главата ни. И така, въпреки че не мислим често за това, имаме връзка с астрономическото време. Високосните секунди са просто малък, почти невидим начин за поддържане на тази връзка жива."
