Сдвиг полюсов. Часть 1. Физика процесса

Эта статья открывает цикл публикаций, освещающих авторское видение темы "Сдвига полюсов" на примере эффекта Джанибекова. Автор берёт на себя смелость внести свою лепту в раскрытие темы и предложить читателям сайта познакомиться

• с тем, какие физические причины вызывают явление
• с тем, как можно определить позицию прошлого географического полюса
• с авторской реконструкцией планетарной катастрофы

и другими интересными находками... Приятного чтения!

Эффект Джанибекова

Во время своего пятого полета на космическом корабле «Союз Т-13″ и орбитальной станции «Салют-7″ (6 июня — 26 сентября 1985 года) Владимир Джанибеков обратил внимание на, казалось бы, необъяснимый с точки зрения современной механики и аэродинамики эффект, проявившийся в поведении самой обычной гайки, точнее гайки «с ушками» (барашками), которыми фиксировались металлические ленты, закрепляющие мешки для упаковки вещей при транспортировке грузов в космос.

Разгружая очередной транспортный корабль, Владимир Джанибеков стукнул пальцем по одному уху «барашка». Обычно тот отлетал, и космонавт спокойно ловил его и убирал в карман. Но в этот раз Владимир Александрович не стал ловить гайку, которая к его большому удивлению пролетев около 40 сантиметров, неожиданно перевернулась вокруг своей оси, после чего все так же вращаясь полетела дальше. Пролетев еще примерно 40 сантиметров, она опять перевернулась. Это показалось космонавту настолько странным, что он закрутил «барашек» обратно и опять стукнул по нему пальцем. Результат оказался тем же!

Будучи необычайно заинтригованным столь странным поведением «барашка, Владимир Джанибеков повторил эксперимент с другим «барашком». Тот так же переворачивался в полете, правда, через несколько большее расстояние (43 сантиметра). Аналогичным образом вел себя и запущенный космонавтом пластилиновый шарик. Он тоже, пролетев некоторое расстояние, переворачивался вокруг своей оси.

Обнаруженный эффект, названный "эффектом Джанибекова", стали внимательно изучать и выяснили, что исследуемые объекты, вращающиеся в невесомости, через строго определенные промежутки времени совершали переворот ("кувырок") на 180 градусов.

При этом, центр масс этих тел продолжал равномерное и прямолинейное движение, в полном соответствии с первым законом Ньютона. А направление вращения, "закрутка", после "кувырка" оставалась прежней (как и должно быть по закону сохранения момента импульса). Получалось, что относительно внешнего мира тело сохраняет вращение вокруг той же оси (и в том же направлении), в каком оно вращалось до кувырка, но "полюса" менялись местами!

Это прекрасно видно на примере "гайки Джанибекова" (обычной барашковой гайки).

Если смотреть ОТ ЦЕНТРА МАСС, то "ушки" гайки сначала вращаются в одном направлении, а после "кувырка" в другом.

Если же смотреть С ПОЗИЦИИ ВНЕШНЕГО НАБЛЮДАТЕЛЯ, то вращение тела, как целого объекта, всё время остаётся одним и тем же - ось вращения и направление вращения - неизменны.

И вот, что интересно: для воображаемого наблюдателя, находящегося на поверхности объекта произойдет своего рода полная СМЕНА ПОЛЮСОВ! Условное "северное полушарие" станет "южным", а "южное" - "северным"!

Тут просматриваются определённые параллели между движением "гайки Джанибекова" и движением планеты Земля. И рождается вопрос "А вдруг кувыркается не только гайка, но и наша планета?" Может, раз в 20 тысяч лет, а может, и чаще...

И как тут не вспомнить о гипотезе катастрофического сдвига полюсов Земли, сформулированной ещё в середине 20 века Хью Брауном и поддержанной научными работами Чарльза Хэпгуда ("The Earth’s Shifting Crust", 1958  и "Path of the Pole", 1970)  и Иммануила Великовского ("Столкновение миров", 1950)?

Эти исследователи изучали следы прошлых катастроф, и пыталась дать ответ на вопрос "Почему они происходили так масштабно и имели такие последствия, словно Земля переворачивалась, меняла географические полюса?"

К сожалению, им не удалось выдвинуть убедительные причины "переворотов Земли". Излагая гипотезу, они предположили, что причина "кувырка" - неравномерное нарастание ледовой  "шапки" на полюсах планеты. Научное сообщество посчитало такое объяснение несерьёзным и записало теорию в разряд маргинальных.

Однако, "Эффект Джанибекова" заставил по-новому отнестись к этой теории. Учёные уже не могут исключить того, что та самая физическая сила, которая заставляет кувыркаться гайку, может переворачивать и нашу планету... И следы прошлых планетарных катастроф ярко свидетельствуют о масштабах этого явления.

Теперь, мой читатель, наша задача разобраться с физикой переворота.

Китайский волчок

Китайский волчок (волчок Томсона) - это игрушка, по форме напоминающая усеченный шар, по центру среза которого расположена ось. Если этот волчок сильно раскрутить, установив его на ровной поверхности, то можно наблюдать эффект, казалось бы, нарушающий законы физики. Ускоряясь, волчок, вопреки всем ожиданиям, опрокидывается набок и продолжает переворачиваться дальше, пока не встанет на ось, на которой будет затем  продолжать вращаться.

Ниже представлена фотография, где учёные-физики наблюдают очевидное нарушение законов классической механики. Переворачиваясь, волчок совершает работу по подъёму своего центра масс.

"Какая физическая причина такого поведения волчка?" - вот вопрос, который интересовал даже самых маститых учёных 20 века.

Все попытки дать математическое обоснование на основе законов классической механики не были достаточно убедительными. Приходилось объяснять движение волчка с помощью разных дополнительных предположений о влиянии трения.

Однако, всё, оказывается, проще - волчок переворачивается под действием тех же сил, что и "гайка Джанибекова". Трение не вызывает переворот! Оно может лишь замедлять вращение, постепенно забирая энергию у волчка.

На орбите Земли и на её поверхности физические законы одни и те же. Разница лишь в том, что на поверхности Земли действует ещё и заметная сила притяжения. Надолго в воздухе не зависнешь... Поэтому волчок Томсона не мог показать то, что показала "гайка Джанибекова" - он переворачивался всего один-два раза, затем терял силу своего вращения и останавливался. Но именно эта игрушка заставляла учёных искать причины своего странного движения. И когда был обнаружен "эффект Джанибекова", про китайский волчок вспомнили и увидели, что эти явления очень похожи.

Возьмём и мы модель китайского волчка, и попробуем найти объяснение "эффекту Джанибекова".

Жёлтая точка - центр масс.

Красная линия - ось вращения волчка.

Синяя линия обозначает плоскость, перпендикулярную оси вращения волчка и проходящую через центр масс. Эта плоскость разделяет волчок на две половины -сферическую (нижнюю) и срезанную (верхнюю).

Назовём эту плоскость - ПЦМ (плоскость центра масс).

Светло-голубые кружки - символическое обозначение кинетической энергии вращения. Верхний кружок - энергия накопленного момента инерции той половины волчка, которая расположена выше ПЦМ. Нижний кружок - энергия той половины, которая расположена ниже ПЦМ. Автор провёл грубую количественную оценку разницы в кинетической энергии верхней и нижней половинок волчка Томсона (в варианте пластмассовой игрушки) - получилось около 3%.

Почему они разные? Это связано с тем, что форма двух половинок - разная, соответственно, и моменты инерции будут разными. Мы учитываем, что материал игрушки - однородный, поэтому момент инерции зависит только от формы объекта и направления оси вращения.

Итак, что мы видим на представленной выше схеме?

Мы видим некоторую энергетическую ассиметрию относительно центра масс. Энергетическая "гантель" с разными по мощности "грузиками" на концах (на схеме - светло-голубые кружки) явно будет создавать некоторую НЕСБАЛАНСИРОВАННОСТЬ.

Но природа не терпит дисгармонии! Ассиметрия "гантели" в одном направлении по оси вращения после переворота компенсируется ассиметрией в другом направлении вдоль той же оси. То есть баланс достигается периодическим изменением состояния во времени - вращающееся тело помещает более мощный "грузик" энергетической "гантели" то по одну, то по другую сторону от центра масс.

Такой эффект появляется только у тех вращающихся тел, у которых есть разница между моментами инерции двух частей - условно "верхней" и  "нижней", разделённых плоскостью, проходящей через центр масс и перпендикулярной оси вращения.

Как показывают эксперименты на орбите Земли,  даже обычная коробка с вещами может стать объектом для демонстрации эффекта.

Обнаружив, что для описания "эффекта Джанибекова" хорошо подходит математический аппарат из области квантовой механики (разработанный для описания явлений микромира, поведения элементарных частиц), учёные придумали даже специальное название для скачкообразных изменений в макромире  - "псевдоквантовые процессы".

Периодичность переворотов

Эмпирические (опытные) данные, собранные на орбите, показывают, что главный фактор, определяющий продолжительность периода между "кувырками", - разница между кинетическими энергиями "верхней" и "нижней" половинок объекта. Чем больше разница энергий, тем короче период между переворотами тела.

Если разница в моменте инерции (который после "закрутки" волчка становится накопленной энергией) очень маленькая, то такое тело будет стабильно вращаться очень долго.  Но такая стабильность всё равно не будет вечной. Когда-то наступит момент переворота.

Если говорить о планетах, в том числе и о планете Земля, то можно уверенно утверждать - они все точно не являются идеальными геометрическими сферами, состоящими из идеально однородного вещества. А значит, момент инерции условных "верхней" или "нижней" половинок планеты, пусть даже в сотых или тысячных долях процента, отличаются. И этого вполне достаточно, чтобы когда-то это привело к перевороту планеты относительно оси вращения и смене полюсов.

Особенности планеты Земля

Первое, что приходит в голову в связи с вышесказанным, - это то, что форма Земли явно далека от идеального шара и представляет собой геоид. Чтобы показать перепады высот на нашей планете более контрастно был разработан анимированный рисунок с многократно увеличенным масштабом перепада высот (см. ниже).

В реальности рельеф Земли намного более сглаженный, но сам факт неидеальности формы планеты очевиден.

Соответственно, стоит ожидать, что неидеальность формы, а также и неоднородность внутреннего вещества планеты (наличие полостей, плотных и пористых литосферных слоёв и т.п.) обязательно приведёт к тому, что "верхняя" и "нижняя" части планеты будут иметь некоторую разницу в моменте инерции. И это значит, что "перевороты Земли", как их называл Иммануил Великовский, - не выдумка, а вполне реальное физическое явление.

Вода на поверхности планеты

Теперь нам нужно учесть один очень важный фактор, который отличает Землю от волчка Томсона и гайки Джанибекова. Этот фактор - вода. Океаны занимают около трёх четвертей поверхности планеты и содержат воды столько, что если всю её равномерно распределить по поверхности, то получится слой толщиной более 2,7 км. Масса воды составляет 1/4000 от массы планеты, но несмотря, на такую, казалось бы, незначительную долю, вода играет очень существенную роль в том, что происходит на планете при перевороте...

Давайте представим, что наступил момент, когда планета совершает "кувырок". Твёрдая часть планеты начнёт двигаться по траектории приводящей к смене полюсов. А что будет происходить с водой на поверхности Земли? Вода не имеет прочной связи с поверхностью, она может течь туда, куда будет направлена равнодействующая физических сил. Поэтому, согласно известным законам сохранения импульса и момента импульса, она будет пытаться сохранить то направление движения, которое выполнялось до "кувырка".

Что это значит? А это значит, что все океаны, все моря, все озёра придут в движение. Вода начнёт двигаться с ускорением относительно твёрдой поверхности...

В каждый момент времени на протяжении процесса смены полюсов, на водные массивы, в какой бы точке земного шара они не находились, почти всегда будут действовать две инерционные компоненты:

1.  Первая компонента, непосредственно связана с движением планеты по траектории "кувырка". Земная твердь будет двигаться, а вода будет пытаться остаться в первоначальном положении. Произойдёт примерно то же, что и в том случае, когда мы резко двигаем тарелку с водой стоящую на столе - вода выплеснется за край тарелки.
2. Вторая компонента, возникает из-за того, что положение точки поверхности меняется относительно полюсов, (для наблюдателя на поверхности планеты полюса перемещаются, "сдвигаются") и, как следствие, меняется широта, на которой она расположена.

Взгляните на рисунок ниже. На нем указана величина линейных скоростей на разных широтах (для наглядности выбраны несколько точек на поверхности земного шара).

Линейные скорости отличаются потому, что радиус вращения на разных географических широтах - разный. Получается, что если точка поверхности планеты "переезжает" ближе к экватору, то она увеличивает свою линейную скорость, а если от экватора, то уменьшает. Но вода-то не связана прочно с твёрдой поверхностью! Она сохраняет ту линейную скорость, которая у неё была до "кувырка"!

Из-за разности линейных скоростей воды и твёрдой поверхности Земли (литосферы), получается эффект цунами. Масса океанической воды движется относительно поверхности невероятно мощным потоком. Посмотрите, какой явный след остался от прошлого сдвига полюсов. Это пролив Дрейка, он находится между Южной Америкой и Антарктидой. Мощность потока впечатляет! Он протащил остатки ранее существовавшего перешейка на две тысячи километров.

На старинной карте мира отлично видно, что никакого пролива Дрейка в 1531 году ещё нет... Или о нём ещё неизвестно, и картограф рисует карту по старым сведениям.

Величина инерционных компонент зависит от расположения интересующей нас точки, а также от траектории "кувырка" и от того, на какой временной стадии переворота мы находимся. После окончания переворота величина инерционных компонент станет нулевой, и движение воды постепенно погасится за счёт вязкости жидкости, за счёт сил трения и земного притяжения.

Следует сказать, что на поверхности земного шара при "сдвиге полюсов" есть две зоны, в которых обе инерционные компоненты будут минимальными. Можно сказать, что эти два места являются наиболее безопасными с точки зрения угрозы от потопной волны. Их особенность в том, что в них не будет инерционных сил, заставляющих воду двигаться в каком-либо направлении.

К сожалению, нет никакого способа заранее предсказать расположение этих зон. Единственно, что можно сказать, что центры этих зон находятся на пересечении экваторов Земли - одного, который был до "кувырка" и другого, который стал после него.

Динамика водного потока под влиянием инерционных компонент

На рисунке ниже схематично представлено движение массива воды под воздействием сдвига полюсов. На первой картинке слева мы видим суточное вращение Земли (зелёная стрелка), условное озеро (синий кружок - вода, оранжевая окружность - берега). Два зелёных треугольника обозначают два геостационарных спутника. Поскольку перемещение литосферы не влияет на их местонахождение, мы будем использовать их как ориентиры позволяющие оценить расстояния и направления перемещения.

Розовые стрелки показывают направление перемещения южного полюса (направлены вдоль траектории сдвига). Берега озера перемещаются (относительно оси вращения планеты) вместе с литосферой, а вода под воздействием сил инерции пытается сначала сохранить своё положение и перемещается вдоль траектории сдвига, а потом под воздействием второй инерционной компоненты постепенно поворачивает своё движение в сторону вращения планеты.

Это наиболее заметно, если сопоставлять положение на схеме синего кружка (водного массива) и зелёных треугольников (геостационарных спутников).

Ниже на карте мы можем увидеть следы водно-селевого потока, направление движения которого постепенно разворачивается под воздействием второй инерционной компоненты.

На этой карте есть следы и других потоков. Мы разберём их в следующих частях серии.

Демпфирующий эффект океанов

Следует сказать, что водные массивы океанов не только несут разрушения от катастрофических потоков-цунами. Но они являются причиной ещё одного эффекта - эффекта демпфирования, тормозящего переворот планеты.

Если бы наша планета имела только сушу и не имела океаны, то смена полюсов проходила бы точно также, как у "гайки Джанибекова" и китайского волчка, - полюса менялись бы местами.

Но, когда во время переворота вода начинает двигаться по поверхности, она вносит изменение в энергетическую составляющую вращения, а именно - распределение момента инерции. Хотя масса поверхностной воды составляет всего 1/4000 массы планеты, её момент инерции равен примерно 1/500 от общего момента инерции планеты.

Этого оказывается достаточным, чтобы погасить энергию переворота раньше, чем полюса провернутся на 180 градусов. В результате на планете Земля происходит сдвиг полюсов, вместо полного переворота, - "смены полюсов".

Атмосферные явления при сдвиге полюсов

Основной эффект "кувырка" планеты, проявляющийся в атмосфере, - мощная электризация, увеличение статического электричества, повышение разности электрических потенциалов между слоями атмосферы и поверхностью планеты.

Помимо этого из глубин планеты выходит масса разных газов, в том числе происходит и многократно усиленная напряжением литосферы водородная дегазация. Водород в условиях электрических разрядов интенсивно взаимодействует с кислородом атмосферы, происходит образование воды в многократно превышающих климатическую норму объёмах.

Продолжение: "Сдвиг полюсов. Часть 2. Позиционирование прошлого полюса