If the Earth Stood Still

Modellering van de afwezigheid van middelpuntvliedende kracht

Door Witold Fraczek, Esri

Dit artikel als pdf.

Het volgende is geen futuristisch scenario. Het is geen sciencefiction. Het is een demonstratie van de mogelijkheden van GIS om de resultaten te modelleren van een uiterst onwaarschijnlijke, maar intellectueel fascinerende vraag: wat zou er gebeuren als de aarde zou stoppen met draaien? ArcGIS werd gebruikt om complexe rasteranalyses en volumetrische berekeningen uit te voeren en kaarten te genereren die deze resultaten visualiseren.

De wereld zoals we die kennen. De duidelijke afbakening van land en oceaan wordt aangegeven door de omtrek van hoogte 0.

De langere equatoriale as van de ellipsoïde van de aarde is meer dan 21,4 km (of 1/3 van 1 procent) langer dan de poolas. De afvlakking van de ellipsoïde die op deze kaart wordt weergegeven, was opzettelijk overdreven.

Het belangrijkste kenmerk op elke kaart dat zelfs een deel van de oceaan van de aarde is de ruimtelijke omvang van dat waterlichaam. Meestal besteden we niet veel aandacht aan de afbakening van de zee, omdat het zo duidelijk en constant lijkt dat we ons niet realiseren dat het een fundament van de geografie is en de basis voor onze perceptie van de fysieke wereld.

De lijn tussen oceanen en continenten die de ruimtelijke omvang van zowel land als water schetst, is de meest fundamentele contour. Het is nul hoogte omdat het het zeeniveau aangeeft. Waarom is het zeeniveau waar we het momenteel waarnemen? Wat controleert de zeespiegel? Hoe stabiel zijn de krachten die de zeespiegel bepalen? Dit artikel verwijst niet naar de klimaatverandering en de mogelijke stijging van het waterpeil in de mondiale oceaan, maar eerder naar de geometrie van de aardbol en de krachtige geofysische energieën die bepalen waar de oceanen liggen.

Zeeniveau is – en is altijd geweest – in evenwicht met de zwaartekracht van de planeet, die het water naar het massamiddelpunt van de aarde trekt, en de naar buiten gerichte middelpuntvliedende kracht, die het resultaat is van de rotatie van de aarde. Na een paar miljard jaar draaien heeft de aarde de vorm aangenomen van een ellipsoïde (die kan worden gezien als een afgeplatte bol). Dientengevolge is de afstand tot het massamiddelpunt van de aarde het langst rond de evenaar en het kortst buiten de poolcirkels. Het huidige verschil tussen het gemiddelde zeeniveau zoals waargenomen langs de evenaar en de afstand tot het massamiddelpunt van de aarde vanaf de zeespiegel bij de polen is ongeveer 21,4 kilometer (km).

De zwaartekracht van de stille aarde is het sterkst in de poolgebieden (weergegeven in groen). Het is middelgroot op de middelste breedtegraden en het zwakst op de grote hoogten van de Andes, dicht bij de evenaar.

Wanneer de wereldwijde rotatie stopt, zou de massale migratie van oceanisch water ophouden en het zeeniveau zou zich op verschillende locaties bevinden, waardoor de wereldgeografie volledig zou veranderen.

Wat zou er gebeuren als de rotatie van de aarde vertraagde en uiteindelijk stopte met draaien gedurende een periode van enkele decennia? ArcGIS stelt ons in staat de effecten van dit scenario te modelleren, berekeningen en schattingen uit te voeren en een reeks kaarten te maken die de effecten laten zien die de afwezigheid van middelpuntvliedende kracht op zeeniveau zou hebben.

Als de aarde ophield met draaien om zijn as maar doorging draaiend rond de zon en zijn rotatieas handhaafde dezelfde helling, de lengte van een jaar zou hetzelfde blijven, maar een dag zou zo lang duren als een jaar. In dit fictieve scenario zou het opeenvolgende verdwijnen van de middelpuntvliedende kracht een catastrofale verandering in het klimaat veroorzaken en rampzalige geologische aanpassingen (uitgedrukt als verwoestende aardbevingen) aan de transformerende equipotentiële zwaartekrachttoestand.

Het ontbreken van het middelpuntvliedende effect zou het gevolg zijn. waarbij de zwaartekracht van de aarde de enige belangrijke kracht is die de omvang van de oceanen beheerst. Prominente hemellichamen zoals de maan en de zon zouden ook een rol spelen, maar vanwege hun afstand tot de aarde zou hun impact op de omvang van de mondiale oceanen verwaarloosbaar zijn.

Als alleen de zwaartekracht van de aarde verantwoordelijk was voor het creëren van een nieuwe geografie, zou de enorme uitstulping van oceanisch water – dat nu ongeveer 8 km hoog is aan de evenaar – migreren naar waar de zwaartekracht van een stationaire aarde het sterkst zou zijn. Deze uitstulping wordt toegeschreven aan het centrifugale effect van het ronddraaien van de aarde met een lineaire snelheid van 1.667 km / uur op de evenaar. De bestaande equatoriale wateruitstulping blaast ook de ellipsvormige vorm van de bol zelf op.

De omvang van een hypothetische noordelijke circumpolaire oceaan boven het grondgebied van Noord-Amerika wordt weergegeven. De oranje kleur geeft gebieden aan met een hoogte van meer dan 3000 meter boven het niveau van de noordelijke oceaan.Rode stippen vertegenwoordigen enkele van de grootste steden van het continent.

De uitstulping bepaalt de uiteindelijke vorm van de wereld door het uniforme zeeniveau in zwaartekrachtevenwicht vast te stellen, dat wordt gebruikt als standaardreferentie voor beschrijft de vorm van de aarde. Het is de geometrie van deze vorm die geodeten al meer dan een eeuw probeerden te berekenen. Hun inspanningen werden afgerond door de acceptatie van de ellipsoïde waarnaar wordt verwezen als World Geodetic System 1984 (WGS84) door de internationale gemeenschap in Washington, DC, in 1984. De ellipsoïde WGS84 benadert de vorm van de aarde nauwkeuriger dan veel andere ellipsoïden die voorheen waren voorgesteld.

Als de aarde stil zou staan, zouden de oceanen geleidelijk naar de polen migreren en land in het equatoriale gebied doen ontstaan. Dit zou uiteindelijk resulteren in een enorm equatoriaal megacontinent en twee grote pooloceanen. De lijn die de gebieden afbakent die hydrologisch bijdragen aan de ene of de andere oceaan, zou de evenaar volgen als de aarde een perfecte ellipsoïde was. Vanwege het aanzienlijke reliëf van zowel de continenten als de oceaanbodem, wijkt de hypothetische mondiale kloof tussen de gebieden die hydrologisch bijdragen aan een of andere oceaan echter aanzienlijk af van de evenaar. Analoog aan de bekende Amerikaanse continentale kloof, zou dit de grens zijn die twee gigantische halfronde stroomgebieden van de nieuwe circumpolaire oceanen scheidt. Interessant is dat het hoogste punt op deze wereldwijde kloof niet de hoogste hoogte op de hele wereld zou zijn. Het hoogste punt van de mondiale kloof in de Colombiaanse Andes zou ongeveer 12.280 meter bedragen, terwijl de hoogte van de beroemde equatoriale vulkanen van Chimborazo (Ecuador) en Kilimanjaro (Tanzania) respectievelijk 13.615 en 12.786 meter zou bedragen. Beide vulkanen bevinden zich toevallig niet op de wereldwijde scheidslijn. Het laagste punt op de nieuwe wereldwijde scheidslijn, met een hoogte van 2760 meter, zou ten zuidwesten van het eiland Kiribati in de westelijke Stille Oceaan liggen.

Vanwege het unieke reliëf van het aardoppervlak aan het begin van de vertraging zouden de belangrijkste veranderingen in de omtrek van land versus water plaatsvinden op de hoge breedtegraden van het noordelijk halfrond, waar de deiningoceaan zich snel zou uitbreiden over de vlakke en uitgestrekte gebieden van Noord-Siberië en Noord-Canada. Tegelijkertijd, veranderingen in de continentale contouren op lage breedtegraden zouden nauwelijks waarneembaar zijn omdat (enkele uitzonderingen daargelaten) de equatoriale wateren diep zijn, en een verlaging van het waterpeil met enkele tientallen meters zou er niet toe leiden dat grote stukken land ontstaan. vertragingsperiode, wanneer de belangrijkste geografische kenmerken van oceanen en land zich al zouden hebben aangepast aan de ellipsvormige vorm van de aardbol en de nieuwe verdeling van de zwaartekracht, zouden relatief kleine veranderingen optreden. gekoppeld aan de ellipsvormige vorm van de aardbol, die het effect van de diversiteit van het geografische reliëf van de aarde overweldigt.

Tegenwoordig zijn alle drie de wereldoceanen met elkaar verbonden. Hierdoor ontstaat een wereldwijde oceaan met in feite één zeeniveau. Als gevolg van de vertraging van de rotatie zou de omtrek van de mondiale oceaan voortdurend dramatische veranderingen ondergaan. Equatoriale wateren zouden zich naar poolgebieden verplaatsen, wat aanvankelijk een aanzienlijke vermindering van de diepte zou veroorzaken, terwijl de poolbekkens die veel minder capaciteit hebben, worden gevuld. Naarmate regio’s op hoge breedtegraad op het noordelijk halfrond onder water komen te staan, zou de oppervlakte van de noordelijke circumpolaire oceaan zich snel uitbreiden en de uitgestrekte laaglanden van Siberië en noordelijke delen van Noord-Amerika bedekken. De mondiale oceaan zou één eenheid blijven totdat de rotatie van de aarde afnam tot de snelheid waarmee oceaanscheiding zou plaatsvinden. De interactie tussen de traagheid van enorme waterlichamen en afnemende middelpuntvliedende kracht zou erg gecompliceerd zijn. Als gevolg van een gestage vertraging van de rotatie van de aarde, zou de oceaan op aarde geleidelijk worden gescheiden in twee oceanen. Het is duidelijk dat de laatste verbinding zal worden verbroken op het laagste punt van de wereldwijde scheidslijn, ten zuidwesten van de Kiribati-eilanden. huidige westelijke Stille Oceaan is een vlak, land zou snel ontstaan omdat er geen kans zou zijn dat water zou worden uitgewisseld tussen de twee circumpolaire oceanen na de eerste splitsing. Het gebied van de uiteindelijke scheiding tussen de twee oceanen zou het gelijktijdig opkomen en drogen van gebied dat zich honderden kilometers uitstrekt.

Terwijl de zwaartekracht meer water naar de Noordelijke IJszee trekt, worden de laaglanden van Siberië en Noord-Canada zou onder water komen te staan.De overeenkomstige beweging van water weg van de equatoriale regio gecombineerd met de ondiepe continentale platwateren ten zuidoosten van Azië en ten noorden van Australië zal ervoor zorgen dat er land ontstaat.

Een verdieping van de Noordelijke IJszee zou leiden tot de verdere uitbreiding van water over de noordelijke vlaktes van Azië, Europa en Noord-Amerika. Groenland en Antarctica zouden, ondanks hun hoge ligging, aanzienlijk kleiner worden. Nieuwe archipels ontstaan uit de zuidelijke zeeën. De Great American Lakes, de grootste zoetwaterreservoirs ter wereld, lossen op in de oceaan.

De vertraging zou doorgaan na de scheiding van de twee oceanen en verdere migratie van het oceaanwater naar de palen. Verrassend genoeg (ondanks de hoogte van Antarctica) heeft het zuidelijke poolbekken een grotere capaciteit dan het noordelijke. Gegeven het vaste watervolume op beide halfronden, zou het grotere bassin van de zuidpool resulteren in een algemeen lager zeeniveau dan het noordelijke oceaan. Volgens een volumetrische berekening die is uitgevoerd met de ArcGIS 3D Analyst-extensie, moet het verschil tussen het zeeniveau van de twee oceanen 1407 meter zijn. De nauwkeurigheid van de gegevens garandeert dit nauwkeurigheidsniveau niet, dus het hoogteverschil tussen de zee niveau van de twee gebruikte oceanen was 1400 meter.

De reeks kaarten die dit artikel illustreert, toont de intermitterende stadia tijdens deze migratie van de oceanen van de aarde en veranderingen in landuitbreidingen, topografische hoogte en bathymetrische diepte door de afnemende snelheid van de rotatie van de aarde. Deze kaarten tonen de tussenstadia van overgangsgeografie van een roterende naar een stationaire wereld. Ze laten de effecten zien van de geleidelijke vermindering van de middelpuntvliedende kracht van het huidige niveau tot geen, waardoor de zwaartekracht de enige kracht blijft die de omvang van de oceaan controleert.

De feitelijke vertraging van de rotatie van de aarde is waargenomen, gemeten, berekend, en theoretisch uitgelegd. Naarmate nieuwere methodologieën worden ontwikkeld en nauwkeurigere instrumenten worden geconstrueerd, kan de exacte snelheid van de vertraging variëren tussen sommige bronnen. Als gevolg van deze zeer geleidelijke vertraging, moeten atoomklokken worden aangepast aan de zonnetijd door af en toe een schrikkelseconde toe te voegen. De eerste schrikkelseconde werd toegevoegd in 1956.

Heel Antarctica zou op dit punt onder water staan. De noordpoolwateren en het water boven de uitgestrekte, recent onder water gelegen gebieden in Siberië en Canada zouden dieper worden. Tegelijkertijd zouden equatoriale wateren ondieper worden.

Grote landgebieden nabij de evenaar blijven groeien en komen met elkaar samen. Inmiddels wordt bijna heel Canada, Europa en Rusland bedekt door een noordelijke circumpolaire oceaan.

De meeste wetenschappers zijn het erover eens dat de zonnedag (gerelateerd aan de rotatiesnelheid) steeds langer wordt . Deze minimale toename van de daglengte is voornamelijk te wijten aan de oceanische getijdenwrijving. Toen de geschatte snelheid van de vertraging werd geprojecteerd tot voorbij geologische eonen, toonde dit aan dat de lengte van een dag enkele uren korter was dan vandaag.

Bijgevolg, tijdens het Devoon (400 miljoen jaar geleden), de aarde draaide tijdens één omwenteling rond de zon ongeveer 40 keer meer dan nu. Omdat de continenten sinds die tijd aanzienlijk zijn afgedreven, is het moeilijk om schattingen te maken van de contouren van land versus oceaan voor die tijd. We kunnen er echter zeker van zijn dat – met een hogere draaisnelheid in het verleden – de equatoriale uitstulping van oceanisch water toen veel groter was dan nu. Evenzo was de ellipsoïdale afvlakking van de aarde ook belangrijker.

Deze animatie toont de intermitterende stadia tijdens deze migratie van de oceanen van de aarde. en veranderingen in landuitbreidingen, topografische hoogte en bathymetrische diepte veroorzaakt door de afnemende snelheid van de rotatie van de aarde. Het toont de effecten van de geleidelijke vermindering van de middelpuntvliedende kracht van het huidige niveau tot geen, waardoor de zwaartekracht de enige kracht blijft die de omvang van de oceaan controleert.

De invloed van de snelheid van de aarde De rotatie van de aarde heeft een overheersend effect op de geometrie van de aardbol, zowel in termen van de algehele vorm van de aardbol als de omtrek van de mondiale oceaan. Het fysieke reliëf van de aarde is slechts een secundaire factor die de afbakening van de oceanen bepaalt. De vertraging van de rotatie van de aarde zal 4 miljard jaar aanhouden – zo lang als we ons kunnen voorstellen. De vertraging oneindig – maar gestaag – verandert de geometrie van de aardbol en maakt deze dynamisch. Het netto resultaat van deze dynamische aanpassingen is dat de aarde langzamerhand meer en meer een bol wordt. Het zal echter miljarden jaren duren voordat de aarde stopt met draaien, en het zwaartekrachtequipotentiaal creëert een gemiddeld zeeniveau dat een perfecte bol is.

Over de auteur

Witold Fraczek is een oude werknemer van Esri die momenteel in het Application Prototype Lab werkt.Hij behaalde zijn doctoraat in de toepassing van GIS in de bosbouw aan de Landbouwuniversiteit en een masterdiploma in hydrologie aan de Universiteit van Warschau, Polen, en teledetectie aan de Universiteit van Wisconsin, Madison.