Воображаемая жизнь (ЛП) - Трефил Джеймс

Приливный захват

Вы с детства знали, что Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной, но задумывались ли вы когда-нибудь о том, какое совершенно необычайное совпадение необходимо для такого положения дел? Чтобы оставаться обращённой к Земле одной и той же стороной, Луна должна повернуться вокруг своей оси один раз за то же самое время, которое требуется для завершения одного оборота по орбите. По сути, её «день» должен быть ровно такой же длины, что и её же «год». Любое другое соотношение между её вращением вокруг своей оси и вращением вокруг Земли показало бы наблюдателям на нашей планете её обратную сторону.

Невероятное совпадение? Ну, не настолько. Как ни странно, но такого рода ситуации — довольно обычное дело в галактике. Говорят, что Луна находится в приливном захвате у Земли (или, на как говорят астрономы, синхронизирована). В нашей солнечной системе многие луны находятся в приливном захвате у своих планет, тогда как другие находятся в более сложных приливных отношениях, известных как орбитальные резонансы. Также возможно, что планета будет находиться в приливном захвате у своей звезды, особенно если расстояние между ними невелико. Мы считаем, например, что все семь планет размером с Землю, вращающиеся вокруг звезды TRAPPIST-1 (см. главу 13), находятся в приливном захвате, и в качестве исторического экскурса скажем, что мы привыкли считать, будто Меркурий всегда обращён к Солнцу одной и той же стороной, прежде чем точные измерения его вращения доказали, что это представление ошибочно.

Как подразумевает само название явления, Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной из-за действия приливов и отливов. Мы привыкли думать о приливах и отливах на Земле как явлении, связанном с океанами. Любой, кто проводил время у морского берега, знает, что каждый день бывает два прилива, а услышав слово «прилив», мы автоматически думаем о повышении и снижении уровня воды. Мы знаем, что эти океанские приливы вызваны силой тяготения Луны и, в меньшей степени, силой тяготения Солнца.

Однако на нашей планете существует другой вид приливов, который столь же регулярен, как и океанские, но далеко не так хорошо известен. Чтобы понять это утверждение, вы должны осознать, что, где бы вы ни находились, два раза в день земля под вами поднимается и опускается чуть менее чем на 1 фут (около 30 см) во время так называемого земного прилива или смещения уровня поверхности. Подобно океанским приливам, земные приливы на нашей планете вызваны силой притяжения Луны. Обычно мы их не замечаем, потому что подвергшаяся её действию область планеты имеет тысячи миль в поперечнике. Например, если поверхность большей части континентальной территории Соединённых Штатов поднимается на 1 фут или около того в течение многих часов, по сути, никаких заметных эффектов не наблюдается — в действительности же земной прилив можно обнаружить лишь очень чувствительными научными приборами. (Например, учёные, работающие с Большим Адронным Коллайдером в Швейцарии должны учитывать земные приливы при выполнении тонких настроек своей машины.)

Если Луна может вызывать приливы и отливы на Земле, то из этого следует, что гравитационное воздействие Земли может вызывать приливы и отливы на Луне, и это именно то, что приводит к приливному захвату. Подобно поверхности Земли, поверхность Луны в некоторой степени эластична. Он реагирует на силу притяжения Земли, слегка перемещаясь вверх и вниз, когда Земля проходит над ней. Это создает так называемую приливную волну. Волна всегда находится под Землёй и по мере вращения Луны перемещается по её поверхности, так что разные части Луны приподнимаются в разное время.

Ещё одно следствие земной гравитации, хотя и менее очевидное, заключается в создании на поверхности Луны второй приливной волны в месте, прямо противоположном тому, что находится напротив Земли. Самый простой способ представить себе этот момент — сказать, что гравитация Земли оттягивает поверхность Луны от основного тела Луны с одной стороны и оттягивает основное тело Луны от поверхности с другой. (Кстати, существование аналогичной второй приливной волны, создаваемой Луной на нашей собственной планете, приводит к тому, что океаны Земли демонстрируют два прилива в день, а не один.)

Можно представить две приливных волны Луны как «ручки», за которые может ухватиться земная гравитация. Если бы Луна вращалась быстрее, чем раз в месяц (т. е. поворачивалась бы вокруг своей оси больше одного раза за время, необходимое для облёта Земли), суммарный эффект земной гравитации заключался бы в замедлении вращения — как будто Земля схватилась за эти ручки и тянет назад. Точно так же, если бы Луна вращалась медленнее, Земля схватилась бы за ручки и ускорила её движение. Таким образом, конечным результатом этого является то, что на протяжении всей истории существования системы Земля-Луна Луна стала делать всего лишь один поворот в месяц и всегда обращена к нам одной и той же стороной.

Приливный захват может возникать всякий раз, когда меньший объект вращается на орбите вокруг большего, особенно если орбита меньшего объекта близка к нему, и потому силы притяжения велики. Многие из обнаруженных нами экзопланет расположены близко к своей звезде, поэтому мы ожидаем, что как минимум некоторые из них будут находиться в приливном захвате. Каковы были бы условия на такой планете? Оказывается, в зависимости от особенностей строения планеты и звезды существует множество интересных возможностей.

Сумеречная зона

Наиболее очевидным последствием приливного захвата является то, что обращённая к звезде поверхность планеты будет очень горячей, тогда как сторона, обращённая в космос, будет очень холодной. По сути, поверхность планеты будет наполовину раскалённой пустыней, наполовину замёрзшей тундрой. Однако между этими двумя крайностями будет находиться упомянутая выше переходная зона: тонкая полоса, вытянутая в направлении север-юг, где температура может поддерживать присутствие жидкой воды. Эта переходная зона со всей очевидностью является первым из мест для поиска признаков жизни, похожей на нас.

Если бы вы находились в переходной зоне, то оказались бы в странном окружении. Солнце всегда будет на горизонте, готовое к рассвету или закату, который никогда не наступит. Если отойти от неё слишком далеко в сторону звезды, то окажешься в жаркой пустыне. Отойди от неё слишком далеко в другую сторону — и ты замёрзнешь. С вашей точки зрения, жизнь была бы явлением, ограниченным строгими рамками, привязанным к узкой полосе, опоясывающей планету.

А ещё здесь будут дуть ветры. Один из основных законов физики, второй закон термодинамики (см. главу 2), заключается в том, что тепло перетекает из жарких областей в холодные. На Земле разница температур между тропиками и полюсами относительно небольшая, и имеет место вращение планеты, которое управляет циркуляцией атмосферы и великими океанскими течениями. Представьте себе, что Гольфстрим и господствующие погодные условия — это попытки Земли привести температуру на всей планете к одинаковому значению.

У находящейся в приливном захвате планеты разница температур между обращённой к звезде и обращённой к космосу сторонами будет огромной по сравнению с таковыми на Земле — вероятно, порядка сотен градусов и более. Хотя конкретные особенности будут зависеть уже от географии Гало и расстояния от звезды, можно предположить некоторые общие особенности ветров на планете. Можно ожидать, что газы на стороне, повёрнутой к звезде, будут скорее нагреваться и подниматься, в то время как газы на стороне, обращённой в космос, будут охлаждаться и опускаться. Это создаст общую схему циркуляции, при которой высотные ветры дуют к стороне, обращённой в космос, и одновременно поток холодных ветров возвращает воздух на сторону, обращённую к звезде, на меньших высотах.

Циркуляция воздуха наподобие описанной, когда тёплый воздух поднимается на экваторе и опускается на полюсах, наблюдалась бы и на Земле, если бы планета не вращалась. Она называется ячейкой Хэдли в честь британского метеоролога Джорджа Хэдли (1685-1768), который впервые предложил её в качестве объяснения механизма возникновения пассатов. (Мимоходом отметим, что крупное британское исследовательское учреждение, занимающееся изучением изменений климата, называется Центром Хэдли в его честь.)