Автор: В 1985 году космонавт Владимир Джанибеков заметил на орбите странную вещь: вращающаяся гайка через равные промежутки времени сама переворачивалась на 180 градусов. С тех пор в интернете гуляет версия, что так же может «кувыркнуться» и Земля, а ускорившийся дрейф магнитного полюса к Сибири — первый звонок. Ниже разобрано, что на самом деле увидел Джанибеков, почему физики давно объяснили этот эффект и что происходит с магнитным полюсом.
Содержание
Две новости, которые склеили в одну
История о скором «кувырке» планеты держится на двух реальных фактах, которые сами по себе никак не связаны. Первый — эффект, который наблюдал советский космонавт на станции «Салют-7». Второй — северный магнитный полюс Земли действительно движется из Канады в сторону Сибири, и в какой-то период он заметно ускорился.
Если соединить эти два факта, получается тревожная картина. Гайка в невесомости переворачивается, Земля тоже вращается в пустоте, магнитный полюс почему-то бежит, значит, планета готовится к перевороту. Звучит логично, но при проверке каждое звено этой цепочки рассыпается.
Два настоящих факта, соединённые неверной логикой, дают очень убедительную и очень неверную историю
Чтобы разобраться, стоит рассмотреть каждую часть отдельно: что за эффект, при каких условиях он возникает, применим ли он к планете и что происходит с магнитным полем.
Полёт «Союза Т-13»
Сначала о самом событии. Летом 1985 года Владимир Джанибеков и Виктор Савиных отправились на корабле «Союз Т-13» к орбитальной станции «Салют-7». Это был один из самых драматичных полётов в истории советской космонавтики.
Спасение мёртвой станции
Незадолго до этого связь со станцией прервалась. «Салют-7» летел по орбите без управления, обесточенный и промёрзший. Джанибеков и Савиных должны были состыковаться с неуправляемой станцией, войти в неё и вернуть к жизни. Ничего подобного раньше никто не делал.
Им это удалось. Космонавты вручную пристыковали корабль, обнаружили внутри станции мороз и лёд, постепенно восстановили электропитание и системы. Эта история позже легла в основу российского фильма «Салют-7», вышедшего в 2017 году.
Кто такой Джанибеков
Владимир Джанибеков — один из самых опытных советских космонавтов. Он совершил пять космических полётов, дважды удостоен звания Героя Советского Союза. Помимо космонавтики он известен как художник и человек с широкими научными интересами.
Гайка-барашек
Во время работы на станции Джанибеков распаковывал грузы, доставленные с Земли. Некоторые детали крепились гайками с «ушками», которые в обиходе называют барашками. Откручивая такую гайку, космонавт заметил, что она, слетев с резьбы и продолжая вращаться, ведёт себя странно.
Гайка летела вперёд, вращаясь вокруг одной оси. Через некоторое время она вдруг резко переворачивалась на 180 градусов и продолжала лететь уже в другом положении. Потом снова переворачивалась, и так раз за разом. Джанибеков повторил это несколько раз, пробовал разные предметы, и эффект повторялся.
Что такое эффект Джанибекова
В популярных статьях эффект описывают как загадочное явление, которое учёные не могут объяснить. На самом деле физикам оно хорошо знакомо, и объяснение довольно наглядное.
Три оси вращения
У любого твёрдого тела есть три особые оси, вокруг которых оно может вращаться. Их называют главными осями инерции. Для каждой из них тело по-разному «сопротивляется» вращению: вокруг одной оси раскрутить его легче всего, вокруг другой — труднее всего, а третья находится посередине.
Возьмите в руки книгу. Её можно вращать вокруг трёх осей: вокруг длинной стороны, вокруг короткой стороны и вокруг оси, перпендикулярной обложке. Для каждой оси момент инерции — величина, которая показывает, насколько трудно раскрутить тело, — будет разным.
Устойчивые и неустойчивая
Оказывается, вращение вокруг этих трёх осей ведёт себя по-разному:
- вокруг оси с наибольшим моментом инерции вращение устойчиво: небольшие толчки не нарушают его;
- вокруг оси с наименьшим моментом инерции вращение тоже устойчиво в идеальном случае;
- вокруг средней оси вращение неустойчиво: любое малейшее отклонение растёт, и тело начинает периодически переворачиваться.
Именно это и произошло с гайкой. Она вращалась вокруг средней оси, и малейшее отклонение приводило к тому, что гайка «кувыркалась». Затем она возвращалась примерно в прежнее положение, и всё повторялось.
Теорема о теннисной ракетке
Это явление известно в физике как теорема о промежуточной оси, а в англоязычной литературе — как теорема о теннисной ракетке. Название связано с простым опытом: если подбросить теннисную ракетку, раскрутив её вокруг оси, лежащей в плоскости струн и перпендикулярной ручке, то ракетка в полёте почти всегда сделает дополнительный переворот.
На Земле эффект трудно заметить, потому что предмет быстро падает и не успевает сделать несколько кувырков. В невесомости же тело может вращаться сколько угодно долго, и периодические перевороты становятся очень наглядными. Поэтому космонавт на станции увидел то, что на Земле обычно проскакивает незамеченным.
Почему «каждые 43 сантиметра» неверно
В статьях о Джанибекове часто пишут, что гайка переворачивалась каждые 43 сантиметра. Эта деталь вводит в заблуждение. Перевороты зависят не от пройденного расстояния, а от времени и скорости вращения. Если гайка летит медленно, она перевернётся, пролетев меньшее расстояние; если быстро — большее.
Сам полёт вперёд тут вообще ни при чём. Если бы гайка просто вращалась на месте, она переворачивалась бы точно так же. Расстояние — это просто случайная мера, которую кто-то однажды привёл, и она пошла гулять по пересказам.
Гайка переворачивается не потому, что куда-то летит, а потому, что вращается вокруг неустойчивой оси
Открытие или переоткрытие
Распространено мнение, что Джанибеков открыл новый закон природы. На самом деле он наглядно увидел то, что физика описала задолго до него.
Эйлер и Пуансо
Леонард Эйлер
Уравнения вращения твёрдого тела вывел Леонард Эйлер ещё в XVIII веке. Из этих уравнений следует, что вращение вокруг средней оси неустойчиво. В XIX веке французский математик Луи Пуансо дал этому красивое геометрическое объяснение, которое до сих пор используют в учебниках механики.
В известном курсе теоретической физики Ландау и Лифшица, по которому учились поколения физиков, вопрос устойчивости свободного вращения твёрдого тела тоже разобран. Так что для специалистов эффект не был секретом ни в 1985 году, ни задолго до этого.
Заслуга Джанибекова
Заслуга Джанибекова в другом. Он увидел этот эффект в чистом виде, в невесомости, где ничто не мешает телу вращаться долго, и привлёк к нему внимание. Наглядная картинка переворачивающейся гайки оказалась гораздо убедительнее любых формул. Неудивительно, что эффект получил его имя в русскоязычной литературе.
Позже это явление неоднократно снимали на Международной космической станции. Существуют видео, где астронавты раскручивают в невесомости разные предметы и показывают, как те переворачиваются. Популярные научные каналы тоже не раз объясняли этот эффект широкой аудитории.
Миф о засекреченном открытии
В статьях об эффекте часто звучит мысль, что открытие держали в секрете или до сих пор замалчивают. Будто бы правительства знают о грядущем перевороте Земли, но не знают, что делать, и поэтому молчат.
Это не так. Эффект давно описан в учебниках, о нём публиковали научные и популярные статьи, его показывают в видео с орбиты. Никакой тайны здесь нет. Ощущение «замалчивания» возникает скорее потому, что учёные не связывают этот эффект с судьбой Земли, а не потому, что они что-то скрывают.
Применим ли эффект к Земле
Теперь главный вопрос. Земля тоже вращается в пространстве, ничем не закреплённая. Может ли она вдруг перевернуться, как гайка Джанибекова?
Земля вращается вокруг «правильной» оси
Ответ связан с формой Земли. Наша планета не идеальный шар: из-за вращения она немного сплюснута у полюсов и расширена у экватора. Экваториальный радиус примерно на 21 километр больше полярного.
Из-за этой сплюснутости момент инерции Земли относительно оси, проходящей через полюса, наибольший. А вращение вокруг оси с наибольшим моментом инерции, как мы уже знаем, устойчиво. Земля вращается именно так, как устойчиво вращаются тела, и никакого периодического «кувырка» у неё быть не может.
Гайка Джанибекова переворачивалась потому, что вращалась вокруг средней оси. Земля вращается вокруг оси наибольшего момента. Это принципиально разные ситуации.
Почему всё вращающееся в итоге выбирает устойчивую ось
Есть ещё одна важная деталь, которую хорошо иллюстрирует история первого американского спутника. «Эксплорер-1» запустили в 1958 году. Он был вытянутым, как карандаш, и его раскрутили вокруг длинной оси, то есть вокруг оси с наименьшим моментом инерции.
Через некоторое время спутник начал кувыркаться. Оказалось, что гибкие антенны спутника понемногу рассеивали энергию вращения. А при потере энергии тело постепенно переходит к вращению вокруг оси с наибольшим моментом инерции. Эта история стала важным уроком для конструкторов космической техники.
Для Земли это значит следующее. Планета за миллиарды лет давно «выбрала» самое устойчивое вращение. Внутреннее трение, приливы, движение вещества в недрах — всё это только стабилизирует вращение вокруг оси с наибольшим моментом инерции. Земле физически некуда кувыркаться: она уже находится в самом устойчивом состоянии.
Земля вращается вокруг той оси, вокруг которой вращение устойчивее всего, и именно поэтому её вращение так стабильно
Что на самом деле меняется с осью Земли
Но если Земля не может кувыркнуться, это не значит, что с её осью ничего не происходит. Ось вращения действительно меняет положение, просто совсем не так, как в страшилках.
Прецессия
Ось Земли медленно описывает в пространстве конус, как ось волчка. Это явление называется прецессией, и полный оборот занимает около 26 тысяч лет. Из-за прецессии со временем меняется то, какая звезда служит «полярной»: сейчас это Полярная звезда, а через тысячи лет ею станет Вега.
Прецессия вызвана притяжением Солнца и Луны, которые тянут экваториальное «утолщение» Земли. Она происходит постоянно и очень плавно. Прецессия не меняет наклон оси к плоскости орбиты и не может вызвать никакого «кувырка». В исходных статьях её почему-то описывают как процесс, который накапливается до критического угла, но это не так.
Наклон оси
Наклон земной оси к плоскости орбиты сейчас составляет около 23,4 градуса. Он не постоянен: за период примерно в 41 тысячу лет он колеблется в пределах от 22,1 до 24,5 градуса. Эти колебания вместе с другими изменениями орбиты известны как циклы Миланковича.
Циклы Миланковича влияют на климат: они связаны с чередованием ледниковых периодов и потеплений. Но изменения здесь укладываются в пару градусов и происходят за десятки тысяч лет. Никаких резких скачков на сотни градусов не бывает.
Важную роль в стабильности наклона играет Луна. Её притяжение удерживает наклон земной оси в узких пределах. Расчёты показывают, что без Луны наклон Земли мог бы колебаться гораздо сильнее, как, по-видимому, происходит у Марса.
Колебание Чандлера
Есть и совсем мелкое движение оси — колебание Чандлера. Ось вращения смещается относительно поверхности Земли по небольшому кругу с периодом около 433 дней. Размер этого смещения — всего несколько метров на поверхности. Его обнаружил американский астроном Сет Чандлер в конце XIX века.
Смещение полюсов из-за перераспределения массы
Наконец, ось вращения немного смещается из-за того, что на Земле перемещаются массы: тают ледники, наполняются водохранилища, люди выкачивают подземные воды. В 2023 году исследователи подсчитали, что выкачивание подземных вод с 1993 по 2010 год сместило полюс вращения Земли примерно на 80 сантиметров.
На очень длинных отрезках времени, в миллионы лет, существует и так называемое истинное смещение полюсов, когда вся твёрдая оболочка Земли медленно поворачивается относительно оси вращения. Но этот процесс идёт со скоростью сантиметры в год и не имеет ничего общего с внезапным «кувырком».
Магнитный полюс бежит в Сибирь
Теперь о второй части истории — магнитном полюсе. Здесь утверждения из СМИ в основном правдивы, но выводы из них делаются неверные.
Как быстро движется полюс
Северный магнитный полюс — точка, куда указывает стрелка компаса, — не совпадает с географическим полюсом. Он находится в Арктике и постоянно перемещается. В XIX веке, когда его впервые нашли, он располагался на севере Канады.
На протяжении большей части XX века полюс двигался со скоростью около 15 километров в год. В 1990-х годах его движение ускорилось и к началу 2000-х достигло примерно 50–55 километров в год. Направление — от канадской Арктики через Северный Ледовитый океан к Сибири. В 2017 году полюс пересёк линию перемены дат и оказался в Восточном полушарии.
В последние годы движение полюса снова замедлилось. По данным, использованным при обновлении Мировой магнитной модели, его скорость упала примерно до 35 километров в год. Так что «ускоренное бегство» к Сибири уже не такое быстрое, как десять-пятнадцать лет назад.
Почему движется полюс
Магнитное поле Земли создаётся в её внешнем ядре, где на глубине около 3000 километров течёт расплавленное железо с примесью никеля. Движение этого проводящего жидкого металла порождает электрические токи, а они — магнитное поле. Этот механизм называют геодинамо.
Течения в ядре сложные и постоянно меняются. Из-за этого меняется и магнитное поле, в том числе положение магнитных полюсов. Учёные связывают недавнее ускорение полюса с борьбой двух областей сильного магнитного поля под Канадой и под Сибирью: сибирская «перетягивала», и полюс смещался в её сторону.
Мировая магнитная модель
Чтобы навигация работала правильно, учёные составляют Мировую магнитную модель — математическое описание магнитного поля Земли. Её обновляют раз в пять лет. Но в начале 2019 года модель пришлось обновить досрочно, потому что поле менялось быстрее, чем ожидалось. Очередная версия модели вышла в конце 2024 года.
Этот досрочный выпуск стал поводом для многих тревожных новостей. Но на самом деле это обычная научная работа: модель уточнили, чтобы навигация оставалась точной.
Что зависит от магнитного полюса
Движение магнитного полюса затрагивает вполне конкретные вещи:
- Компасы — их показания нужно корректировать с учётом магнитного склонения, то есть угла между направлением на магнитный и географический север.
- Смартфоны — встроенные цифровые компасы используют Мировую магнитную модель.
- Авиация — взлётно-посадочные полосы нумеруют по их магнитному направлению. Когда склонение меняется, полосы иногда приходится переименовывать. Так, например, поступил аэропорт Тампы во Флориде в 2011 году.
- Военная и морская навигация, где важна точность магнитного курса.
Что от него не зависит
Важно уточнить: GPS не зависит от магнитных полюсов. Спутниковая навигация определяет положение по сигналам спутников, а не по магнитному полю. Поэтому утверждение, что «все навигационные приборы» зависят от магнитных полюсов, сильно преувеличено. Магнитный компас — лишь один из инструментов, и для большинства современных систем навигации движение полюса не создаёт серьёзных проблем.
Инверсия магнитного поля
С движением полюса связан и другой страх: что магнитное поле Земли вот-вот перевернётся, северный и южный магнитные полюса поменяются местами. Это действительно реальное явление, но совсем не такое, каким его рисуют.
Как часто это бывает
Магнитное поле Земли переворачивалось много раз за историю планеты. Следы этих событий сохранились в горных породах: застывая, лава «запоминает» направление магнитного поля того времени. На дне океанов видны полосы пород с чередующейся намагниченностью.
Инверсии происходят нерегулярно: иногда через десятки тысяч лет, иногда через миллионы. Последняя полная инверсия, названная Брюнес — Матуяма, случилась около 780 тысяч лет назад. С тех пор поле не переворачивалось полностью.
Экскурсы
Кроме полных инверсий, бывают экскурсы — временные сильные ослабления и отклонения поля, после которых оно возвращается в прежнее состояние. Самый известный — экскурс Лашамп около 41 тысячи лет назад. Тогда поле на несколько столетий сильно ослабло и частично развернулось.
Сколько длится инверсия
Важно понимать, что инверсия — это не внезапный щелчок. Поле не переворачивается за день или за год. По оценкам, процесс занимает от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. За это время поле ослабевает, становится запутанным, с несколькими полюсами, а затем восстанавливается в противоположной ориентации.
Ослабление поля
Сторонники скорой инверсии указывают, что магнитное поле Земли слабеет. Это правда: с середины XIX века, когда начались точные измерения, его напряжённость уменьшилась примерно на 9%. Особенно заметно ослабление в районе Южно-Атлантической аномалии — области над Южной Америкой и югом Атлантики, где поле заметно слабее, чем в других местах.
Но ослабление само по себе не означает, что инверсия неизбежна. Поле и раньше то усиливалось, то ослабевало без переворота. Сейчас оно всё ещё сильнее, чем в среднем за последние сотни тысяч лет. Предсказать, когда произойдёт следующая инверсия, учёные пока не могут.
Чем это грозит
Если инверсия всё же начнётся, она принесёт определённые проблемы. Ослабленное поле хуже защищает от космического излучения, поэтому пострадают прежде всего спутники и электроника на орбите. Возможны помехи в энергосетях и связи, особенно во время солнечных бурь. Компасы на время станут ненадёжными.
Но катастрофы для жизни на Земле это не означает. Исследования палеонтологов не находят связи между инверсиями поля и массовыми вымираниями. Предки людей пережили экскурс Лашамп и множество других изменений поля. Атмосфера Земли продолжает защищать поверхность от большей части излучения даже при ослабленном магнитном поле.
Смена магнитных полюсов — это не переворот планеты, а изменение направления магнитного поля, и это два совершенно разных явления
Марс, мамонты и всемирный потоп
В статьях о «кувырке» Земли обычно приводятся и примеры из прошлого: Марс, будто бы погибший после переворота, мамонты, вымершие из-за смены полюсов, и всемирный потоп. Каждая из этих историй имеет своё, гораздо более обоснованное объяснение.
Почему Марс потерял атмосферу
Марс действительно когда-то был другим: на его поверхности текли реки, были озёра, возможно, даже моря. Сегодня он холодный и сухой, с очень разреженной атмосферой. Но причина этого не в «кувырке».
По современным представлениям, Марс около четырёх миллиардов лет назад потерял глобальное магнитное поле: его ядро остыло, и геодинамо прекратило работу. Без защиты магнитного поля солнечный ветер постепенно «сдувал» атмосферу в космос. Это подтвердили наблюдения американского зонда MAVEN, который изучал утечку атмосферы Марса.
Интересно, что у Марса действительно было истинное смещение полюсов: огромное вулканическое нагорье Фарсида, по-видимому, перераспределило массу планеты, и её поверхность повернулась относительно оси вращения. Но это происходило за миллионы лет и не было никаким внезапным «кувырком».
Почему вымерли мамонты
Мамонты вымерли не из-за падения астероида и не из-за переворота Земли. Большинство популяций исчезло в конце последнего ледникового периода, около 10–12 тысяч лет назад. Учёные связывают это с изменением климата, сокращением холодных степей, где жили мамонты, и с охотой людей.
Последние мамонты жили на острове Врангеля до примерно четырёх тысяч лет назад — в то время, когда в Египте уже строили пирамиды. Если бы их погубил глобальный переворот планеты, вымерли бы сразу все популяции, а не постепенно на протяжении тысячелетий.
Всемирный потоп
Предания о великом потопе есть у многих народов: в Библии, в месопотамском эпосе о Гильгамеше, в мифах Индии, Греции и многих других. Исследователи связывают их с реальными наводнениями, которые случались в разных регионах: разливами больших рек, подъёмом уровня моря после ледникового периода, прорывами ледниковых озёр.
Но никаких геологических следов того, что Земля когда-то переворачивалась и это вызвало глобальное затопление, не найдено. А такая катастрофа оставила бы следы по всей планете.
Почему кажется, что от нас что-то скрывают
Тема «замалчиваемого открытия» — одна из самых популярных в подобных статьях. Важное открытие якобы скрывают, потому что правительства не знают, что делать. Откуда берётся это ощущение?
Разрыв между наукой и популярными пересказами
Во многом оно возникает из-за разрыва между тем, что знают специалисты, и тем, что доходит до широкой аудитории. Учёные спокойно относятся к эффекту Джанибекова, потому что понимают его механизм и знают, что он не угрожает Земле. Но если об этом не рассказать понятно, у людей остаются только тревожные пересказы.
Когда учёные не комментируют страшилку, это часто воспринимают как молчание. Хотя на деле они просто не считают её серьёзной.
Реальные проблемы
При этом в исходной статье есть одна справедливая мысль: у человечества действительно много глобальных проблем, которые требуют общих усилий. Изменение климата, пандемии, космическая погода, которая может повредить энергосети и спутники. Это реальные риски, о которых учёные говорят открыто.
Ирония в том, что выдуманные угрозы вроде «кувырка» Земли отвлекают внимание от настоящих. Пока люди боятся переворота планеты, который невозможен, реальные проблемы остаются без внимания.
Как увидеть эффект Джанибекова своими глазами
Хорошая новость: эффект Джанибекова можно наблюдать и на Земле, причём без всякой невесомости. Для этого нужно лишь подходящее тело и немного ловкости.
Опыт с телефоном
Возьмите смартфон в чехле, чтобы не страшно было уронить, и встаньте над кроватью или диваном. Представьте три оси телефона: вдоль длинной стороны, вдоль короткой стороны и перпендикулярно экрану. Средней по моменту инерции будет ось, идущая вдоль короткой стороны, параллельно экрану.
Подбросьте телефон, закрутив его вокруг этой оси, экраном вверх, и поймайте после одного оборота. Почти всегда вы увидите, что телефон перевернулся — экран теперь смотрит вниз. А если закрутить телефон вокруг длинной оси или вокруг оси, перпендикулярной экрану, он спокойно сделает оборот и вернётся в исходное положение.
Опыт с книгой
Возьмите толстую книгу и перетяните её резинкой, чтобы страницы не раскрывались. Подбрасывайте её, раскручивая по очереди вокруг трёх осей. Вокруг длинной и вокруг короткой оси, параллельной обложке, в зависимости от формы книги, одно из вращений окажется неустойчивым: книга будет заметно «кувыркаться».
Что этот опыт показывает
Этот простой эксперимент показывает самую суть эффекта Джанибекова. Неустойчивость вращения вокруг средней оси — свойство всех твёрдых тел, а не загадка космоса. Гайка на «Салюте-7», телефон в вашей руке и теннисная ракетка подчиняются одному и тому же закону.
И этот же закон объясняет, почему Земле не грозит «кувырок». Она вращается вокруг своей самой устойчивой оси, точно так же как телефон, раскрученный вокруг длинной стороны, спокойно возвращается в исходное положение. Иногда лучший способ развеять тревожную теорию — провести пятисекундный опыт на диване.
