Gdyby Ziemia się zatrzymała

Modelowanie braku siły odśrodkowej

Witold Fraczek, Esri

To artykuł jako plik PDF.

Poniższy scenariusz nie jest futurystyczny. To nie jest science fiction. Jest to demonstracja możliwości GIS do modelowania wyników niezwykle nieprawdopodobnego, ale intelektualnie fascynującego zapytania: Co by się stało, gdyby Ziemia przestała się obracać? ArcGIS był używany do wykonywania złożonych analiz rastrowych i obliczeń wolumetrycznych oraz do generowania map, które wizualizują te wyniki.

Świat, jaki znamy. Oczywiste rozgraniczenie lądu i oceanu jest wskazywane przez kontur 0 elewacji.

Dłuższa, równikowa oś elipsoidy Ziemi ma ponad 21,4 km (lub 1/3 z 1 procenta) dłuższa niż oś biegunowa. Spłaszczenie elipsoidy pokazanej na tej mapie zostało celowo wyolbrzymione.

Najważniejszy element na każdej mapie, który przedstawia nawet część oceanu na Ziemi to zasięg przestrzenny tego zbiornika wodnego. Zazwyczaj nie przywiązujemy dużej wagi do wytyczenia morza, ponieważ wydaje się ono tak oczywiste i stałe, że nie zdajemy sobie sprawy, że jest to fundament geografii i podstawa naszego postrzegania świata fizycznego.

Linia oddzielająca oceany od kontynentów, określająca zasięg przestrzenny zarówno lądu, jak i wody, jest najbardziej podstawowym konturem. Jest to zerowa wysokość, ponieważ oznacza poziom morza. Dlaczego obecnie obserwujemy poziom morza? Co kontroluje poziom morza? Jak stabilne są siły, które określają poziom morza? Ten artykuł nie odnosi się do zmian klimatu i potencjalnego wzrostu poziomu wody w oceanie na świecie, ale raczej do geometrii globu i potężnych energii geofizycznych, które określają położenie oceanów.

Poziom morza jest —I zawsze był — w równowadze z grawitacją planety, która przyciąga wodę w kierunku środka masy Ziemi, oraz zewnętrzną siłą odśrodkową, która wynika z obrotu Ziemi. Po kilku miliardach lat wirowania Ziemia przybrała kształt elipsoidy (którą można uważać za spłaszczoną kulę). W konsekwencji odległość do środka masy Ziemi jest najdłuższa wokół równika i najkrótsza poza kręgami polarnymi. Obecna różnica między średnim poziomem morza obserwowanym wzdłuż równika a odległością od środka masy Ziemi od poziomu morza na biegunach wynosi około 21,4 km (km).

Grawitacja nieruchomej ziemi jest najsilniejsza w regionach polarnych (pokazana na zielono). Jest pośrednia na środkowych szerokościach geograficznych i najsłabsza na na dużych wysokościach Andów, w pobliżu równika.

Gdy zatrzyma się globalna rotacja, masowa migracja wód oceanicznych ustanie, a poziom morza znajdzie się w różnych miejscach, całkowicie zmieniając geografię świata.

Co by się stało, gdyby rotacja Ziemi spowolniła i ostatecznie przestała się obracać w ciągu kilku dziesięcioleci? ArcGIS pozwala nam modelować skutki tego scenariusza, wykonując obliczenia i szacunki oraz tworząc serię map pokazujących wpływ braku siły odśrodkowej na poziom morza.

Gdyby Ziemia przestała się obracać wokół własnej osi, ale kontynuowała Obracając się wokół Słońca, a jego oś obrotu zachowywała to samo nachylenie, długość roku pozostałaby taka sama, ale dzień trwałby nawet rok. W tym fikcyjnym scenariuszu sekwencyjne zanikanie siły odśrodkowej spowodowałoby katastrofalną zmianę klimatu i katastrofalne dostosowania geologiczne (wyrażone jako niszczycielskie trzęsienia ziemi) do przekształcającego się stanu ekwipotencjalnej grawitacji.

Brak efektu odśrodkowego spowodowałby grawitacja ziemi jest jedyną znaczącą siłą kontrolującą zasięg oceanów. Znaczące ciała niebieskie, takie jak Księżyc i Słońce, również odegrałyby rolę, ale ze względu na ich odległość od Ziemi ich wpływ na zasięg globalnych oceanów byłby znikomy.

Gdyby sama grawitacja Ziemi był odpowiedzialny za stworzenie nowej geografii, ogromne zgrubienie oceanicznej wody – która ma obecnie około 8 km wysokości na równiku – migrowałoby tam, gdzie stacjonarna grawitacja Ziemi byłaby najsilniejsza. To wybrzuszenie jest przypisywane odśrodkowemu efektowi wirowania Ziemi z prędkością liniową 1667 km / h na równiku. Istniejące równikowe wybrzuszenie wodne również nadyma elipsoidalny kształt samej kuli ziemskiej.

Pokazany jest zasięg hipotetycznego północnego oceanu okołobiegunowego nad terytorium Ameryki Północnej. Kolor pomarańczowy oznacza obszary o wysokości powyżej 3000 metrów nad poziomem oceanu północnego.Czerwone kropki reprezentują niektóre z największych miast kontynentu.

Wybrzuszenie określa ostateczny kształt globu poprzez ustalenie jednolitego poziomu morza w równowadze grawitacyjnej, która jest używana jako standardowe odniesienie dla opisujący kształt ziemi. Właśnie geometrię tego kształtu geodeci próbowali obliczyć przez ponad sto lat. Ich wysiłki zakończyły się akceptacją elipsoidy określanej jako World Geodetic System 1984 (WGS84) przez społeczność międzynarodową w Waszyngtonie w 1984 roku. Elipsoida WGS84 przybliża kształt Ziemi dokładniej niż wiele innych elipsoid, które były wcześniej proponowane.

Gdyby Ziemia stała w bezruchu, oceany stopniowo migrowałyby w kierunku biegunów i spowodowałyby pojawienie się lądu w regionie równikowym. Ostatecznie doprowadziłoby to do powstania ogromnego megakontynentu równikowego i dwóch dużych oceanów polarnych. Linia wyznaczająca obszary, które pod względem hydrologicznym przyczyniają się do powstania jednego lub drugiego oceanu, biegłaby wzdłuż równika, gdyby Ziemia była idealną elipsoidą. Jednak ze względu na znaczną rzeźbę zarówno kontynentów, jak i dna oceanu, hipotetyczny globalny podział między obszarami wpływającymi hydrologicznie na jeden lub drugi ocean znacznie odbiega od równika. Analogicznie do dobrze znanego amerykańskiego Podziału Kontynentalnego, byłaby to granica oddzielająca dwa gigantyczne półkuliste zlewiska nowych oceanów okołobiegunowych. Co ciekawe, najwyższy punkt tego globalnego podziału nie byłby najwyższym punktem na całym świecie. Najwyższe wzniesienie globalnego podziału w kolumbijskich Andach wyniosłoby około 12 280 metrów, podczas gdy wysokość słynnych wulkanów równikowych Chimborazo (Ekwador) i Kilimandżaro (Tanzania) wyniosłaby odpowiednio 13615 i 12786 metrów. Obydwa wulkany nie znajdują się na globalnej linii podziału. Najniższy punkt nowej globalnej linii podziału, o wysokości 2760 metrów, znajdowałby się na południowy zachód od wyspy Kiribati na zachodnim Pacyfiku.

Ze względu na wyjątkową rzeźbę powierzchni Ziemi na początku spowolnienia, najbardziej znaczące zmiany w zarysie lądu w stosunku do wody nastąpiłyby na wysokich szerokościach geograficznych półkuli północnej, gdzie falisty ocean szybko rozszerzyłby się na płaskie i rozległe terytoria północnej Syberii i północnej Kanady. zmiany konturów kontynentu na niskich szerokościach geograficznych byłyby ledwo zauważalne, ponieważ (z nielicznymi wyjątkami) wody równikowe są głębokie, a spadek poziomu wody o kilkadziesiąt metrów nie spowodowałby pojawienia się dużych powierzchni lądu. okres spowolnienia, w którym główne cechy geograficzne oceanów i lądów dostosowałyby się już do elipsoidalnego kształtu kuli ziemskiej i nowego rozkładu grawitacji, nastąpiłyby stosunkowo niewielkie zmiany. związane z elipsoidalnym kształtem kuli ziemskiej, który przytłacza efekt różnorodności rzeźby geograficznej Ziemi.

Obecnie wszystkie trzy oceany świata są połączone. Tworzy to globalny ocean o zasadniczo jednym poziomie morza. W wyniku spowolnienia rotacji zarys globalnego oceanu podlegałby ciągłym dramatycznym zmianom. Wody równikowe przesunęłyby się w kierunku obszarów polarnych, początkowo powodując znaczne zmniejszenie głębokości podczas wypełniania basenów polarnych o znacznie mniejszej pojemności. W miarę zanurzania się regionów położonych na dużych szerokościach geograficznych na półkuli północnej, obszar północnego oceanu okołobiegunowego gwałtownie się rozszerzył, obejmując rozległe niziny Syberii i północne części Ameryki Północnej. Globalny ocean pozostanie jedną jednostką, dopóki rotacja Ziemi nie zmniejszy się do prędkości, z jaką nastąpi separacja oceanów. Interakcja między bezwładnością ogromnych zbiorników wodnych a malejącą siłą odśrodkową byłaby bardzo skomplikowana. Konsekwencją stałego spowolnienia rotacji Ziemi byłby stopniowy podział globalnego oceanu na dwa oceany. Oczywiście ostatnie połączenie zostanie przerwane w najniższym punkcie globalnej linii podziału, położonym na południowy zachód od wysp Kiribati. obecny zachodni Ocean Spokojny jest płaszczyzną, ląd wyłoniłby się szybko, ponieważ nie byłoby żadnej szansy na wymianę wody między dwoma oceanami okołobiegunowymi po początkowym podziale. Obszar ostatecznej separacji między dwoma oceanami byłby równoczesnym wynurzeniem i wysuszeniem terytorium rozciągające się na setki kilometrów.

Podczas gdy grawitacja przyciąga więcej wody w kierunku Oceanu Arktycznego, niziny Syberii i północnej Kanady zostałaby zatopiona, a odpowiadający temu ruch wody z dala od regionu równikowego w połączeniu z płytkimi wodami szelfu kontynentalnego na południowy wschód od Azji i na północ od Australii spowoduje wynurzenie się lądu.

Pogłębiający się Ocean Arktyczny doprowadziłby do dalszej ekspansji wody na północnych równinach Azji, Europy i Ameryki Północnej. Grenlandia i Antarktyda, pomimo swoich dużych wysokości, stałyby się znacznie mniejsze. Z mórz południowych wyłaniają się nowe archipelagi. Wielkie Jeziora Amerykańskie, największe zbiorniki słodkiej wody na świecie, rozpuszczają się w oceanie.

Spowolnienie będzie kontynuowane po rozdzieleniu dwóch oceanów i spowoduje dalszą migrację wody oceanicznej w słupy. Co zaskakujące (pomimo wysokości Antarktydy), południowy basen polarny ma większą pojemność niż północny. Biorąc pod uwagę stałą objętość wody na obu półkulach, bardziej pojemny basen bieguna południowego spowodowałby ogólnie niższy poziom morza niż ocean północny. Zgodnie z obliczeniami wolumetrycznymi wykonanymi za pomocą rozszerzenia ArcGIS 3D Analyst, różnica między poziomem morza dwóch oceanów powinna wynosić 1407 m. Jednak dokładność danych nie gwarantuje takiego poziomu precyzji, więc różnica wysokości między morzem poziom dwóch użytych oceanów wynosił 1400 metrów.

Seria map ilustrująca ten artykuł przedstawia przerywane etapy tej migracji oceanów Ziemi oraz zmiany zasięgu lądu, wysokości topograficznej i głębokości batymetrycznej malejącą prędkością obrotu Ziemi. Mapy te pokazują pośrednie etapy geografii przejściowej od wirującego do stacjonarnego świata. Pokazują one skutki stopniowe zmniejszanie się siły odśrodkowej z jej obecnego poziomu do zera, pozostawiając grawitację jako jedyną siłę kontrolującą rozmiar oceanu.

Rzeczywiste spowolnienie obrotu Ziemi zostało zaobserwowane, zmierzone, obliczone, i wyjaśnione teoretycznie. W miarę opracowywania nowszych metodologii i konstruowania bardziej precyzyjnych instrumentów dokładna szybkość spowolnienia może się różnić w zależności od niektórych źródeł. Odzwierciedlając to bardzo stopniowe spowolnienie, zegary atomowe muszą być dostosowane do czasu słonecznego, dodając co jakiś czas sekundę przestępną. Pierwsza sekunda przestępna została dodana w 1956 roku.

Cała Antarktyda byłaby w tym momencie pod wodą. Północne wody polarne i woda nad rozległymi, niedawno zatopionymi terytoriami Syberii i Kanady stawały się coraz głębsze. Jednocześnie wody równikowe stawałyby się coraz płytsze.

Duże obszary w pobliżu równika nadal rosną i łączą się ze sobą. Obecnie prawie całą Kanadę, Europę i Rosję pokrywa północny ocean okołobiegunowy.

Większość naukowców zgadza się, że dzień słoneczny (związany z prędkością obrotową) stale się wydłuża . Ten minimalny wzrost długości dnia wynika głównie z tarcia oceanicznego. Kiedy szacowane tempo spowolnienia zostało prognozowane na przeszłe eony geologiczne, okazało się, że długość dnia była o kilka godzin krótsza niż obecnie.

W konsekwencji w okresie dewonu (400 milionów lat temu), Ziemia obróciła się około 40 razy więcej podczas jednego obrotu wokół Słońca niż obecnie. Ponieważ od tamtego czasu kontynenty znacznie dryfowały, trudno jest oszacować zarys lądu w porównaniu z oceanem w tamtej epoce. Jednakże możemy być pewni, że – przy większej prędkości wirowania w przeszłości – równikowe wybrzuszenie wody oceanicznej było wtedy znacznie większe niż obecnie. Podobnie, elipsoidalne spłaszczenie Ziemi było również bardziej znaczące.

Ta animacja przedstawia przerywane etapy podczas migracji oceanów na Ziemi oraz zmiany zasięgu lądu, wyniesienia topograficznego i głębokości batymetrycznej spowodowane malejącą prędkością obrotu Ziemi. Pokazuje efekty stopniowego zmniejszania się siły odśrodkowej z jej obecnego poziomu do zera, pozostawiając grawitację jako jedyną siłę kontrolującą zasięg oceanu.

Wpływ prędkości Ziemi Rotacja ma dominujący wpływ na geometrię globu, pod względem ogólnego kształtu globu, jak również zarysu globalnego oceanu. Fizyczna rzeźba Ziemi jest tylko drugorzędnym czynnikiem kontrolującym wytyczenie oceanów. Spowolnienie rotacji Ziemi będzie trwać przez 4 miliardy lat – tak długo, jak możemy to sobie wyobrazić. Spowolnienie nieskończenie małe – ale stale – zmienia geometrię globu i czyni ją dynamiczną. Efektem netto tych dynamicznych dostosowań jest to, że Ziemia powoli staje się coraz bardziej kulą. Jednak miną miliardy lat, zanim Ziemia przestanie się obracać, a ekwipotencjał grawitacyjny stworzy średni poziom morza, który jest idealną kulą.

O autorze

Witold Fraczek jest wieloletni pracownik Esri, który obecnie pracuje w Laboratorium Prototypów Aplikacji.Uzyskał doktorat w zakresie zastosowań GIS w leśnictwie na Akademii Rolniczej oraz tytuły magistra hydrologii na Uniwersytecie Warszawskim oraz teledetekcji na Uniwersytecie Wisconsin w Madison.