Расширяющаяся Земля

Как скоро люди заметят прирост в весе, если средний радиус Земли будет ежесекундно увеличиваться на 1 см? (При условии, что средний состав породы меняться не будет.)

— Деннис ОʼДоннелл

В настоящий момент Земля не расширяется^[1].↲Да, я могу процитировать источник: «В заключение, можно сказать, что наше исследование не обнаружило статистически значительного увеличения диаметра при допустимой погрешности измерений 0,2 мм/год». С. Ву, З. Колилью, З. Альтамими, Б. Л. А. Вермеерсен, Р. С. Гросс и И. Фукумори (2011). Accuracy of the International Terrestrial Reference Frame origin and Earth expansion (Точность определения точки отсчёта земной системы координат и расширения Земли), Геофизический исследовательский журнал, 38, L13304, doi:10.1029/2011GL047450.

А долгое время считалось, что могла бы. Люди заметили, что материки совпадают по границам, раньше, чем в 1960-х годах была подтверждена теория континентального дрейфа^[2].↲Главным доказательством в пользу теории тектоники плит стало открытие спрединга морского дна. Впечатляющее взаимное подтверждение теорий спрединга и инверсии магнитного поля Земли — один из моих любимых примеров совершения научных открытий.↳ Чтобы объяснить это, выдвигались самые разные догадки. По одной из них бассейны океанов были трещинами на поверхности некогда гладкой Земли, возникшими в результате её расширения. Широкого распространения эта гипотеза не получила^[3],↲Потому что оказалась довольно глупой.↳ хотя и по сей день она периодически всплывает на YouTube.

Во избежание такой неприятности, как трещины в земле, представим, что всё вещество планеты, от коры до ядра, начинает расширяться равномерно. Чтобы не допустить ещё одного осушения океанов, условимся, что океаны тоже расширяются^[4].↲Как выяснилось, океаны уже сейчас увеличиваются в объёме в результате повышения температуры. Это одна из главных (на данный момент) причин повышения уровня моря в результате глобального потепления.↳ Сооружения, сделанные человеком, трогать не станем.

t = 1 секунда:

Когда Земля начнёт расширяться, вы почувствуете лёгкий толчок и даже, возможно, на мгновение потеряете равновесие. Долго это, впрочем, не продлится. Начав равномерное движение вверх со скоростью 1 см/с, вы не будете ощущать никакого ускорения. До конца дня вы не заметите больше ничего особенного.

t = 1 день:

За первые сутки Земля увеличится на 864 метра.

Гравитация возрастает медленно. Если на момент начала расширения вы весили 70 килограмм, к концу дня вы будете весить 70,01 кг.

Как насчёт дорог и мостов? Рано или поздно они ведь должны разрушиться, верно?

Не так быстро, как можно подумать. Однажды я услышал такую задачку:

Представим, что вы обвязали Землю канатом, плотно прилегающим к поверхности по всей длине.

А теперь представим, что вы хотите поднять канат на метр от земли.

На какую величину придётся удлинить канат?

Может показаться, что понадобятся километры каната. Между тем, ответ — 6,28 метра. Длина окружности пропорциональна радиусу, так что, увеличивая радиус на единицу, вы увеличиваете длину окружности на 2π единиц.

Растяжением каната длиной 40 000 километров на лишние 6,28 метра можно запросто пренебречь. Даже днём позже добавленные 5,4 километра не будут для большинства построек серьёзной нагрузкой. Бетон ежедневно расширяется и сжимается сильнее^[5].↲Лоуренс Грибоски. Thermal Expansion and Contraction (Термическое расширение и сжатие).

После изначального толчка, одним из первых заметных эффектов станет прекращение работы GPS. Спутники останутся примерно на тех же орбитах, но тончайшая синхронизация, на которую полагается геопозиционирование, будет безнадежно погублена в первые же часы. Синхронизация GPS неимоверно точна: это одна из немногих инженерных задач, в решении которой понадобилась как специальная, так и общая теория относительности.

Большинство других часов продолжат нормально работать. Правда, если у вас есть очень точные маятниковые часы, вы можете заметить странность: под конец дня они станут спешить на три секунды.

t = 1 месяц:

Через месяц Земля увеличится на 26 километров (на 0,4%), её масса возрастёт на 1,2%. Гравитация на поверхности усилится всего на 0,4% — не на 1,2%, ведь она пропорциональна радиусу^[6].↲Масса сферы пропорциональна кубу её радиуса, а гравитация прямо пропорциональна массе и обратно — квадрату радиуса. Радиус³ / радиус² = радиус.

Можно будет заметить разницу с помощью весов, но она будет пустяковой. На такую величину гравитация и так отличается от города к городу. Это полезно помнить при покупке цифровых весов. Если их точность превышает два знака после запятой, лучше откалибровать их с помощью контрольной гири: сила тяжести на заводе-производителе весов не обязательно совпадает с таковой у вас дома.

Вы можете всё ещё не ощущать усиления гравитации, но расширение вы уже заметите. Через месяц длинные бетонные конструкции пойдут трещинами, старые мосты и эстакады начнут выходить из строя. Большая часть зданий, пожалуй, не пострадает, хотя те, что крепко стоят на коренной породе, могут вести себя непредсказуемо^[7].↲Точно то, чего мы хотим, находясь в небоскрёбе.

Когда-то тогда начнут беспокоиться космонавты на МКС. Мало того, что Земля (вместе с атмосферой) движется прямо на них, так усиление гравитации ещё и понемногу понижает их орбиту. Придётся спешно эвакуироваться. У них будет от силы несколько месяцев до того, как станция вернётся в атмосферу и сойдёт с орбиты.

t = 1 год:

Через год сила тяжести будет на 5% сильнее. Вы скорее всего уже заметите прибавку в весе, и уж наверняка заметите разрушенные дороги, мосты, линии электропередач, отказ спутников и подводных кабелей. А ваши маятниковые часы будут спешить на пять дней.

А что же с атмосферой?

Если атмосфера не будет расширяться вместе с землей и водой, давление воздуха начнёт падать. Причиной тому — сочетание нескольких условий. С усилением гравитации воздух тяжелеет, но, поскольку он распределён над бóльшей площадью, результатом будет снижение атмосферного давления.

С другой стороны, если атмосфера расширяется, давление воздуха у поверхности будет расти. Годы спустя вершина Эвереста перестанет быть «смертельной зоной»^[8].↲Смотрите выпуск «Равномерный подъем».↳ Впрочем, вы будете весить больше, гора будет выше, и взбираться на неё станет тяжелее.

t = 5 лет:

Через пять лет гравитация будет сильнее на 25%. Если вы весили 70 кг до расширения, теперь вы будете весить 88 кг.

Бóльшая часть нашей инфраструктуры будет в руинах. Причиной станет увеличение площади земли под постройками, а не рост силы тяжести. Как ни странно, большинству небоскребов и гораздо более сильная гравитация нипочём^[9].↲Хотя пользоваться лифтом я бы не стал.↳ Ограничивающим фактором для них обычно является не вес, а сила ветра.

t = 10 лет:

Через десять лет гравитация будет сильнее на 50%. В том варианте событий, где атмосфера не расширяется, воздух станет настолько разреженным, что даже на уровне моря дышать будет тяжело. Если же атмосфера растёт, ещё какое-то время мы подышим свободно.

t = 40 лет:

За сорок лет гравитация на поверхности Земли утроится^[10].↲Спустя десятилетия гравитация станет увеличиваться быстрее, чем может показаться, ввиду того, что горные породы станут сжиматься под собственным весом. Давление внутри планеты примерно равно площади её поверхности в четвёртой степени, поэтому земное ядро окажется серьёзно сжато.↳ На этом этапе даже сильнейшие из людей смогут разве что ходить, и то с большим трудом. Дышать будет тяжело. Деревья сломаются. Зерновые будут гнуться под собственным весом. Практически на каждом горном склоне стремление породы сгладить угол естественного откоса приведёт к массивным оползням.

Ускорится и геологическая активность. Львиную долю тепла Земли производит радиоактивный распад вещества коры и мантии^[11],↲Хотя некоторые радиоактивные элементы, такие как уран, обладают большой массой, они не опускаются до нижних слоёв Земли, потому что их атомы не соединяются с кристаллической решёткой каменных пород на такой глубине. Больше информации можно найти в этой главе и этой статье.↳ и чем Земля больше, тем она теплее. А поскольку объём растёт быстрее, чем площадь поверхности, в целом поток исходящего тепла на квадратный метр усилится.

На самом-то деле, этого не хватит, чтобы существенно разогреть планету — температура поверхности Земли куда сильнее зависит от Солнца и состояния атмосферы. Но станет больше вулканов, больше землетрясений, тектоническое движение станет быстрее. Подобная же ситуация была на Земле миллиарды лет назад, когда радиоактивного вещества было больше и мантия была горячее.

Более активная тектоника может даже быть полезной для жизни. Тектоника плит играет ключевую роль в стабилизации климата на Земле, а более маленьким планетам (скажем, Марсу) не хватает внутреннего тепла, чтобы поддерживать продолжительную геоактивность. Чем планета больше, тем выше её геологическая активность — вот почему некоторые ученые полагают, что экзопланеты, которые немного больше Земли (т. н. «суперземли») могут оказаться более дружелюбными, чем равные ей по размеру^[12].↲Sasselov, Dimitar D. The life of super-Earths: how the hunt for alien worlds and artificial cells will revolutionize life on our planet. New York: Basic Books, 2012. (Димитр Д. Сасселов «Существование супер-Земель: как поиск других планет и искусственное создание клеток произведёт революцию в жизни на нашей планете»).

t = 100 лет:

Через 100 лет мы будем испытывать гравитацию в 6 с небольшим g. Мы не сможем передвигаться в поисках пищи, но это полбеды. Наши сердца не смогут перекачивать к мозгу кровь. Физическую способность к передвижению не утратят разве что мелкие насекомые (и морские животные). Вероятно, люди смогут выжить под куполами особой конструкции с регулируемым давлением и передвигаться, погрузив под воду бóльшую часть тела.

^[#]↲w:Акватическая теория. — Прим. пер.

Дыхание в такой ситуации стало бы сложным. Трудно вдохнуть воздух, противодействуя весу окружающей воды. Именно поэтому дыхательные трубки работают только на малой глубине, при которой лёгкие близки к поверхности.

Вне куполов с низким давлением атмосфера станет непригодной для дыхания, но по другой причине. При давлении около 6 атмосфер становится ядовитым сам воздух^[13].↲Р. М. Франц и П. К. Щутте. Barometric hazards within the context of deep-level mining (Опасности высокого давления в контексте разработки глубоких шахт), Журнал Южно-африканского института горного промысла и металлургии.↳ Даже если мы умудримся 100 лет выживать, невзирая на все остальные проблемы, нас убьёт кислородное отравление. Но отложим отравление: дышать плотным воздухом тяжело уже хотя бы потому, что он тяжелый.

Чёрная дыра?

Когда же Земля в конце концов станет чёрной дырой?

Сложно ответить на этот вопрос, поскольку его постановка предполагает, что радиус постоянно увеличивается, в то время как плотность остаётся той же — тогда как у чёрной дыры плотность растёт.

Динамику действительно огромных каменных планет никто особенно не изучает, поскольку сложно представить, как они вообще могут возникнуть: при таких размерах любой объект обладает достаточной гравитацией, чтобы во время формирования планеты собрать водород и гелий и стать газовым гигантом.

В какой-то момент наша растущая Земля достигнет точки, в которой добавление массы вызывает не расширение, а сжатие. Затем она схлопнется во что-то вроде испаряющегося белого карлика или нейтронной звезды, и уже после — если масса продолжит расти — станет однажды чёрной дырой.

Если же не забегать вперёд…

t = 300 лет:

Как жаль, что люди до этого не доживут! Ведь как раз тогда произойдёт кое-что действительно красивое.

По мере роста Земли Луна, равно как и все искусственные спутники, начнёт постепенно снижаться по спирали^[14].↲Пламмер Х. К., Note on the motion about an attracting centre of slowly increasing mass (Заметка о движении вокруг центра тяготения тела медленно увеличивающейся массы), Ежемесячные заметки Королевского астрономического общества, том 66, стр. 83.↳ Несколько столетий спустя она окажется настолько близко к нашей разросшейся Земле, что приливные силы между ними превысят собственные гравитационные силы Луны, сохраняющие её форму.

Когда Луна пересечёт эту границу, называемую предел Роша, она постепенно развалится на части…

…и тогда, хоть и недолго, у Земли будут кольца.