” Ei se ole kellon syy, jos maapallo pyörii eri tahtiin. Hervannassa on aina oikea hetki Forster’sille.”
Uusi hervantalainen sananlasku
KAK – Tänään maapallo pyörähtää itsensä ympäri nopeammin kuin koko vuoteen. Vuorokauden pituudeksi on määritetty atomikellojen ylläpitämänä 86 400 sekuntia. Maapallon pyöriminen ei kuitenkaan ole lähes milloinkaan tämän pituinen, vaan siinä on millisekunnin luokkaa olevia vaihteluita. Vaihteluiden syyt on hyvin moninaiset, palaan niihin myöhemmin.
Tänään yhteen pyörähdykseen maapallolta kuluu 1,3 ms vähemmän aikaa kuin virallinen vuorokauden pituus on. Tämän jälkeen pyöriminen tapahtuu aavistuksen verran hitaammin, kunnes heinäkuun 22. päivänä tämä ennätys lyödään ja pyörähtäminen tapahtuu 1,38 ms nopeammin. Mutta elokuun 5. päivänä tehdään jälleen uusi ennätys, se on 1,51 ms lyhyempi kierrosaika.
Maapallon pyöriminen on hidastunut keskimäärin 1,7 ms vuosisadassa. Ilmiö mitattiin jo 1950-luvulla, kun pyörimistä alettiin seurata atomikellojen avulla mahdollisimman tarkasti. Todellisuudessa ilmiö tunnettiin jo 1600-luvun lopulta [1] mutta sen mittaaminen tarkasti oli aikaisemmin mahdotonta.
Hidastuminen ei ole tasaista, välillä se on hitaampaa ja välillä nopeampaa. Syy tähän trendiin on Kuun etäisyyden kasvaminen 3,8 cm vuodessa [4]. Kuu aiheuttaa gravitaatiollaan vuorovesivoiman, joka hidastaa maapallon pyörimistä siten, että vuoroveden muokkaama Maa on muodoltaan sellainen, että syntyy pyörimistä vastustava voima. Tämän ilmiön vaikutuksesta osa maapallon pyörimisen hidastumisesta vapautuva energia siirtyy Kuuhun ja sen rata tästä energiasta johtuen etääntyy maapallosta. Joskus, kauan aikaa sitten maapallon vuorokausi oli pituudeltaan vain 19 tuntia [2][3]. Osa vuorovesi-ilmiön vapauttavasta energiasta muuttuu lämmöksi niin kallioperässä kuin mereen syntyvien vuorovesiaaltojen ja veden virtauksen kitkasta johtuen.
Vuorovesivoiman olemassaolo siis hidastaa maapallon pyörimistä. Tästä syystä kellonaikoihin täytyy tehdä silloin tällöin korjaus, jotta maapallon pyöriminen ja kellonajat eivät joutuisi liian suureen aikaeroon. Korjausta kutsutaan karkaussekunniksi, jollainen lisättiin kellonaikaan viimeksi 31. joulukuuta 2016.
 |
| Maapallon pyörimisen hidastumistrendi on nähtävissä tästä kuvaajasta selvästi. Harmaalla viivalla on osoitettu pyörimisnopeus, jonka positiiviset arvot kertovat hidastumisesta. Aivan oikeassa reunassa lukemat ovat olleet painuneet negatiivisiksi ja tämä tarkoitta pyörimisen nopeutumista. Kuvaan punaisella pisteillä on merkitty karkaussekuntien lisäysajankohdatja hidastumisen aiheuttama kumulatiivinen erotus 1970-luvulta alkaneeseen seurannan vuorokauden pituuteen. Kuva Wikimedia Commons. |
Karkaussekunteja lisätään Koordinoituun yleisaikaan (UTC) tarvittaessa, jotta atomikelloihin perustuva aika pysyisi alle 0,9 sekunnin sisällä maapallon pyörimiseen perustuvasta ajasta (UT1). Päätöksen karkaussekunnin lisäämisestä tekee International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS).
On myös hyvä huomioida, että marraskuussa 2022 tehtiin päätös luopua karkaussekunneista viimeistään vuoteen 2035 mennessä. Tämän jälkeen atomiaika ja UT1-aika eroavat toisistaan ja tarvittava korjaus täytyy sitten tehdä ohjelmallisesti aikoja käyttäviin järjestelmiin kuten esimerkiksi satelliittipaikannusjärjestelmiin. Ajan myötä karkaussekunneista summautuu minuutteja ja jopa tunteja, jos ei mitään tehdä. Sen sijaan, että lisättäisiin useita kymmeniä kertoja vuosisadassa yksi karkaussekunti, korjaus tehdään paljon harvemmin esimerkiksi kerran vuosisadassa tai jopa vielä harvemmin.
Vuoteen 2020 asti pyörimisen hidastuminen oli selkeä trendi, mutta sen jälkeen on tapahtunut jotakin poikkeuksellista. Heinäkuun 19. vuonna 2020 maapallon pyörähtäminen oli 1,47 ms nopeampaa kuin virallinen vuorokauden pituus. Seuraavana vuonna 2021 heinäkuun 9. päivän oltiin samassa lukemassa, vuona 2022 kesäkuun 30. päivänä 1,59 ms nopeammin, vuonna 2023 heinäkuun 16. päivänä 1,31 ms nopeammin ja vuonna 2024 heinäkuun 5. päivänä ennätyksellinen 1,66 ms nopeammin.
Tällä kertaa syy pyörimisen nopeutumiseen on Kuun etäisyyden vaihtelu radallaan. Maapallon pyöriminen on nopeampaa silloin kun Kuun on ratansa etäisimmässä osassa ja samaan aikaan mahdollisimman kaukana ekvaattoritasosta. Tänään Kuun deklinaatio on –28° 59’ ja etäisyys 398 548 km maapallon keskipisteestä. Heinäkuun 22. päivänä Kuun deklinaatio on +27° 40’ ja etäisyys 367 304 km. Elokuun 5. päivänä deklinaatio on –29° 18’ ja etäisyys 397 961 km.
Ilman Kuun vaikutustakin maapallon pyöriminen ei olisi tasaista, vaan siinä tapahtuu muutoksia eri syistä johtuen. Nopeimmin vaikuttaa ilmakehässä massanvaihtelut ja siirtymiset, näiden vaikutus aika kestää vuorokaudesta ehkä muutamaan viikkoon ja vaikutuksen suuruus ± 1 – 2 ms. Etenkin voimakkaat tuulet ja suihkuvirtaukset ovat avain asemassa näissä tekijöissä.
Merivirtojen vaikutus saattaa kestää kuukausia ja silloin vaihteluväli on ± 0,5 – 1ms, suunnilleen sama kuin laajoilla vesisateilla. Napajäiden sulaminen siirtää massaa lähemmäksi ekvaattoria ja tästä syystä muutokset ovat pysyviä, joskaan ei kovin suuria. Lumipeitteen kertyminen etenkin pohjoisille leveysasteille nopeuttaa pyörimistä ja vastaavasti sulaminen ja veden virtaaminen meriin yleensä hidastuttaa pyörimistä
Mannerlaattojen liike on hidasta mutta jatkuvaa. Usein mannerlaatat lukkiutuvat toisiinsa ja lukitus vapautuu, josta seuraa suuria maanjäristyksiä. Tästä seuraa myös vaikutuksia maapallon pyörimiseen, joiden suuruus on mikrosekunteja, esimerkiksi vuoden 2004 Sumatran maanjäristys lyhensi vuorokautta n. 2,68 mikrosekunnilla. Pitkällä aikavälillä (miljoonissa vuosissa) mannerlaattojen liike saa aikaa pysyviä ja hyvinkin suuria vaikutuksia.
Maapallon ytimessä pyörii suuri rauta-nikkelipallo. Sen pyörimisnopeus ei ole aivan sama kuin ylempänä olevien kerrosten, eikä senkään pyörimisnopeus pysy muuttumattomana. Sen pyörimiseen vaikuttaa sulakerroksesta kiteytyvät aine tai toisessa paikassa vastaava sulaminen. Näiden tapahtumien vaikutukset heijastuvat aikaa myöten myös maanpinna pyörimiseen.
Ihminenkin vaikuttaa maapallon pyörimiseen omalla toiminnallaan. Rakentamalla suuria tekoaltaita ja tekojärviä padotaan vettä ja saadaan massa kertymistä sinne missä sitä ei ole aikaisemmin ollut ainakaan merkittäviä määriä. Esimerkiksi Kolmen rotkon pato Kiinassa aiheutti arvioiden mukaan n. 0,06 mikrosekunnin lyhentymisen vuorokauteen. Tämän mittaluokan rakennushankkeet vaikuttavat maapallon pyörimiseen johonkin suuntaan. Paikallisista olosuhteista ja rakennuspaikasta riippuen määräytyy se, nopeutuuko vai hidastuuko maapallon pyöriminen?
Sitten on vielä yksi ilmiö, joka vaatisi kokonaisen oman artikkelin. Kyseinen ilmiö on Chandlerin jakso tai -heilahdus. Ilmiön taustalla on se, että maapallon muoto ei ole täydellinen pallo, eikä muoto edes pysyttele vakiona. Epätäydellinen pallo pyöriessään vaappuu sen pyörimisakselin tehdessä pientä kehään pallon pinnalla. Maapallolla tämä kehä on halkaisijaltaan 3 – 9 metriä maantieteellisen pohjoisnavan (ja etelänavan) ympärillä.
Chandlerin heilahduksen jakso on noin 433 vuorokautta, eli noin 14 kuukautta. Tämä tarkoittaa, että akseli tekee yhden täyden heilahtelun noin 14 kuukaudessa. Heilahdusympyrä ei ole oikeasti ympyrä, vaan se muodostaa eräänlaisen spiraalin, jossa on havaittu 6,5 vuoden jakso. Heilahdus välittyy muihin maapallon pyörimisnopeuteen vaikuttaviin tekijöihin ja siten lopulta myös pyrähdysaikaan.
Viitaukset
[1] Edmund Halley (1656–1742) havaitsi vuonna 1695, että muinaisten auringonpimennysten ajankohdat eivät vastanneet Newtonin mekaniikan ennustamia aikoja. Hänellä oli käytössään muinaisten kiinalaisten, kreikkalaisten ja babylonialaisten kokoamia tietoja havaituista auringonpimennyksistä. Ne tuntuivat tapahtuvan aina väärässä paikassa ja väärään aikaan, joista eroista laskelmiin hän pääteli, että ainoa selittävä tekijä olisi maapallon pyörimisen hidastuminen.
Simon Newcomb (1835–1909) tuli tutkimuksissaan samaan päätelmään. William Ferrel ja George Darwin (Charles Darwinin poika) kehittivät teorian Kuun vuorovesivaikutuksesta 1800-luvun lopulla. He osoittivat, että vuorovesikitka siirtää energiaa ja aiheuttaa pyörimisnopeuden hidastumista sekä Kuun loittonemista.
Richard Stephenson (1941) 1900- ja 2000-luvuilla kokosi tarkan kokoelman muinaisista auringon- ja kuunpimennyksistä ja osoitti tilastollisesti, että pyöriminen hidastuu keskimäärin noin +1,7 – 2,3 ms/100 vuotta.
[2] Maapallon pyörimisaika itsensä ympäri on ollut noin 19 tuntia noin 1–2 miljardia vuotta sitten.
Useiden tutkimusten ja historiallisten tietojen mukaan Maapallon vuorokauden pituus oli noin 19 tuntia noin miljardin vuoden ajan, tarkemmin sanottuna 2 miljardista vuodesta 1 miljardiin vuoteen sitten. Tätä ajanjaksoa kutsutaan geologisessa historiassa usein "ikävystyttäväksi miljardiksi" (boring billion), koska elämän kehityksessä tapahtui suhteellisen vähän suuria muutoksia.
Tämän ajanjakson aikana Maapallon päivän piteneminen, joka johtuu pääasiassa Kuun vetovoiman aiheuttamasta hidastumisesta, pysähtyi tai hidastui merkittävästi. Syynä tähän on pidetty Auringon aiheuttamaa ilmakehän vuorovesivoimaa, joka tietyissä olosuhteissa kykeni tasapainottamaan Kuun hidastavaa vaikutusta.
[3] Taulukko vuorokauden pituuksista maapallon geologisen historian aikana.
Aika (miljardia vuotta sitten) Vuorokauden pituus (tuntia)
4,5 Ga 6 h
3,5 Ga 10 h
2,5 Ga 14 h
1,5 Ga 19 h
1,0 Ga 21 h
0,6 Ga 22 h
0,0 Ga (nykyhetki) 24 h
[4] Tämä tieto ei ole peräisin vain simuloinneista, vaan se on havaittu käytännössä. Miehitetyillä Apollo-lennoilla Kuuhun vietiin laser-heijastimia (joitakin vielä myöhemminkin), jotka ovat edelleen käytössä. Heijastimet palauttavat Maasta lähetetyn laserpulssin takaisin ja kulkuajasta voidaan laskea Kuun etäisyys mittaushetkellä hyvin tarkasti. Näiden mittausten perustella on määritetty Kuun etääntymiselle keskiarvonopeus 3,8 cm vuodessa.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti