Om jorden stod stilla

Modellerar frånvaron av centrifugalkraft

Av Witold Fraczek, Esri

Detta artikel som PDF.

Följande är inte ett futuristiskt scenario. Det är inte science fiction. Det är en demonstration av GIS: s förmåga att modellera resultaten av en extremt osannolik, men ändå intellektuellt fascinerande fråga: Vad skulle hända om jorden slutade snurra? ArcGIS användes för att utföra komplexa rasteranalyser och volymetriska beräkningar och generera kartor som visualiserar dessa resultat.

Världen som vi känner den. Den uppenbara avgränsningen av land och hav indikeras av konturen på 0 höjd.

Jordens ellipsoid längre, ekvatoriella axel är mer än 21,4 km (eller 1/3 av 1 procent) längre än den polära axeln. Plattningen av ellipsoiden som visas på den här kartan var avsiktligt överdriven.

Den mest betydelsefulla funktionen på varje karta som visar till och med en del av jordens hav är den fysiska utsträckningen av den vattenkroppen. Vanligtvis ägnar vi inte mycket uppmärksamhet åt avgränsningen av havet eftersom det verkar så uppenbart och konstant att vi inte inser att det är en grund för geografi och grunden för vår uppfattning om den fysiska världen.

Linjen som skiljer hav från kontinenter som beskriver den geografiska utsträckningen av både land och vatten är den mest grundläggande konturen. Det är noll höjd eftersom det betyder havsnivån. Varför är havsnivån där vi för närvarande observerar den? Vad styr havsnivån? Hur stabila är de krafter som bestämmer havsnivån? Denna artikel hänvisar inte till klimatförändringen och den potentiella ökningen av vattennivån i det globala havet utan snarare till jordens geometri och de kraftfulla geofysiska energierna som avgör var hav ligger.

Havsnivån är – och har alltid varit – i jämvikt med planetens tyngdkraft, som drar vattnet mot jordens masscentrum och den yttre centrifugalkraften, som härrör från jordens rotation. Efter några miljarder år av snurrning har jorden fått formen av en ellipsoid (som kan betraktas som en utplattad sfär). Följaktligen är avståndet till jordens masscentrum längst runt ekvatorn och kortast bortom polcirklarna. Den aktuella skillnaden mellan den genomsnittliga havsnivån som observerats längs ekvatorn och avståndet till jordens masscentrum från havsnivån vid polerna är cirka 21,4 kilometer (km).

Den stilla jordens tyngd är den starkaste vid polarområdena (visas i grönt). Den är mellanliggande på mellanliggande breddgrader och svagast vid Andes höga höjder, nära ekvatorn.

När den globala rotationen upphör skulle den massiva oceaniska vattenmigrationen upphör och havsnivån skulle vara på olika platser, helt förändrad världsgeografi.

Vad skulle hända om jordens rotation saktade ner och slutligen slutade snurra under en period av några decennier? ArcGIS låter oss modellera effekterna av detta scenario, utföra beräkningar och uppskattningar och skapa en serie kartor som visar effekterna som frånvaron av centrifugalkraft skulle ha på havsnivån.

Om jorden slutade rotera runt sin axel men fortsatte roterar runt solen och dess rotationsaxel bibehåller samma lutning, längden på ett år skulle vara densamma, men en dag skulle vara så länge som ett år. I detta fiktiva scenario skulle det sekventiella försvinnandet av centrifugalkraften orsaka en katastrofal förändring i klimatet och katastrofala geologiska justeringar (uttryckt som förödande jordbävningar) till det transformerande ekvipotentiella gravitationstillståndet.

Bristen på centrifugaleffekten skulle resultera i jordens allvar är den enda signifikanta kraften som styr havets utsträckning. Framstående himmelskroppar som månen och solen skulle också spela en roll, men på grund av deras avstånd från jorden skulle deras inverkan på omfattningen av globala hav vara försumbar.

Om jorden bara är allvar var ansvarig för att skapa en ny geografi, skulle den enorma utbuktningen av havsvatten – som nu är ungefär 8 km hög vid ekvatorn – migrera dit en stationär jordens allvar skulle vara starkast. Denna utbuktning tillskrivs den centrifugala effekten av jorden som snurrar med en linjär hastighet på 1667 km / timme vid ekvatorn. Den befintliga ekvatoriella utbuktningen blåser också upp den ellipsoida formen på själva klotet.

Omfattningen av ett hypotetiskt norra cirkumpolärt hav över Nordamerikas territorium visas. Den orange färgen indikerar områden med höjd över 3000 meter över norra havets nivå.Röda prickar representerar några av de största städerna på kontinenten.

Utbuktningen definierar jordens slutliga form genom att fastställa den enhetliga havsnivån i gravitationsjämvikt, som används som standardreferens för som beskriver jordens form. Det är geometrin i denna form som geodesists försökte beräkna i mer än ett sekel. Deras ansträngningar slutfördes genom godkännandet av ellipsoiden som kallas World Geodetic System 1984 (WGS84) av det internationella samfundet i Washington, DC, 1984. Ellipsoiden WGS84 approximerar jordens form mer exakt än många andra ellipsoider som tidigare var föreslagna.

Om jorden stod still, skulle haven gradvis vandra mot polerna och orsaka land i ekvatorialområdet. Detta skulle så småningom resultera i en enorm ekvatorial megakontinent och två stora polära hav. Linjen som avgränsar de områden som hydrologiskt bidrar till det ena eller det andra havet skulle följa ekvatorn om jorden var en perfekt ellipsoid. Men på grund av den betydande lättnaden för både kontinenterna och havsbotten avviker den hypotetiska globala klyftan mellan de områden som hydrologiskt bidrar till ett eller annat hav avsevärt från ekvatorn. Analogt med den välkända amerikanska kontinentala skillnaden, skulle detta vara gränsen som skiljer två gigantiska halvklotiska vattendrag i de nya cirkumpolära oceanerna. Intressant är att den högsta punkten på denna globala klyfta inte skulle vara den högsta höjden på hela världen. Den högsta höjden av den globala klyftan i de colombianska Anderna skulle vara cirka 12 280 meter, medan höjderna på de berömda ekvatoriella vulkanerna Chimborazo (Ecuador) och Kilimanjaro (Tanzania) skulle vara 13 615 respektive 12 786 meter. Båda vulkanerna råkar inte ligga på den globala klyftlinjen. Den lägsta punkten på den nya globala delningslinjen, med en höjd av 2760 meter, skulle vara belägen sydväst om ön Kiribati i västra Stilla havet.

På grund av den unika lättnaden för jordens yta i början av avmattningen, skulle de mest betydande förändringarna i konturerna av land kontra vatten inträffa vid de höga breddgraderna på norra halvklotet där svällningshavet snabbt skulle expandera över de plana och stora territorierna i norra Sibirien och norra Kanada. Samtidigt förändringar av kontinentala konturer vid låga breddgrader skulle knappast märkas eftersom (med några få undantag) ekvatorialvatten är djupa, och en minskning av vattennivån med några dussin meter skulle inte leda till att stora markområden skulle dyka upp. avmattningsperiod, när de viktigaste geografiska särdragen hos hav och land redan skulle ha anpassat sig till jordens ellipsoida form och den nya gravitationsfördelningen, skulle relativt små förändringar inträffa. kopplad till jordens ellipsoida form, som överväldiger effekten av mångfalden i jordens geografiska lättnad.

Idag är alla tre världshaven anslutna. Detta skapar ett globalt hav med i princip en havsnivå. Som en konsekvens av rotationsnedgången skulle konturerna av det globala havet kontinuerligt genomgå dramatiska förändringar. Ekvatorialvatten skulle röra sig mot polära områden, initialt orsaka en signifikant minskning av djupet medan de fyller de bassänger som har mycket mindre kapacitet. När regioner med hög latitud på norra halvklotet sjunker ner, skulle arealen av det norra cirkumpolära havet snabbt expandera och täcka de vidsträckta låglandet i Sibirien och norra delar av Nordamerika. Det globala havet skulle förbli en enhet tills jordens rotation minskade till den hastighet med vilken havsseparation skulle inträffa. Samspelet mellan trögheten hos stora vattenkroppar och minskande centrifugalkraft skulle vara mycket komplicerat. Som en konsekvens av en stadig avmattning av jordens rotation skulle det globala havet delas upp gradvis i två hav. Uppenbarligen kommer den sista förbindelsen att brytas vid den lägsta punkten på den globala klyftlinjen, som ligger sydväst om Kiribatiöarna. Sedan nuvarande västra Stilla havet är ett plan, skulle land komma fram snabbt eftersom det inte skulle finnas någon chans att vatten skulle utbytas mellan de två cirkumpolära oceanerna efter den första splittringen. Området för slutlig separering mellan de två oceanerna skulle vara samtidig uppkomst och torkning av territorium som sträcker sig i hundratals kilometer.

Medan tyngdkraften drar mer vatten mot Arktiska havet, låglandet av Sibirien och norra Kanada skulle vara nedsänkt. Motsvarande rörelse av vatten bort från ekvatorregionen i kombination med det grunda kontinentalsockelvattnet sydost om Asien och norr om Australien kommer att få mark att dyka upp.

En fördjupning av Arktiska havet skulle leda till en fortsatt expansion av vatten över de norra slätterna i Asien, Europa och Nordamerika. Grönland och Antarktis skulle trots sin höga höjd bli betydligt mindre i storlek. Nya skärgårdar dyker upp från södra havet. De stora amerikanska sjöarna, de största sötvattensreservoarerna i världen, löses upp i havet.

Avmattningen skulle fortsätta efter separationen av de två oceanerna och orsaka ytterligare migration av havsvattnet mot stolpar. Överraskande nog (trots Antarktis höjd) har den södra polära bassängen en större kapacitet än den norra. Med tanke på den fasta volymen vatten i båda halvklotet skulle den mer rymliga bassängen på södra polen resultera i en övergripande lägre havsnivå än Enligt den volymetriska beräkningen med ArcGIS 3D Analyst-förlängningen bör skillnaden mellan havsnivån i de två oceanerna vara 1 407 meter. Datanoggrannheten garanterar dock inte denna precision, så höjdskillnaden mellan havet de två använda oceanernas nivå var 1 400 meter.

Serien av kartor som illustreras i denna artikel visar de intermittenta stadierna under denna migrering av jordens hav och förändringar i landomfattning, topografisk höjd och badymetrisk djup orsakad genom den minskande hastigheten för jordens rotation. Dessa kartor visar mellanstegen i övergångsgeografi från en roterande till en stationär värld. De visar effekterna av den gradvisa minskningen av centrifugalkraften från dess nuvarande nivå till ingen, vilket gör att gravitationen är den enda kraften som styr havets utsträckning.

Den faktiska avmattningen av jordens rotation har observerats, mätt, beräknats, och teoretiskt förklaras. När nyare metoder utvecklas och mer exakta instrument konstrueras kan den exakta hastigheten på avmattningen variera mellan vissa källor. Som reflekterar denna mycket gradvisa avmattning, måste atomuret justeras till soltiden genom att lägga till ett skott sekund var så ofta. Den första språngsekunden lades till 1956.

Hela Antarktis skulle vara under vatten vid denna tidpunkt. De nordpolära vattnen och vattnet över de vidsträckta, nyligen nedsänkta områdena i Sibirien och Kanada skulle bli djupare. Samtidigt skulle ekvatorvattnet bli grundare.

Stora landområden nära ekvatorn fortsätter att växa och förenas med varandra. Nu är nästan hela Kanada, Europa och Ryssland täckt av ett nordligt cirkumpolärt hav.

De flesta forskare är överens om att soldagen (relaterad till rotationshastigheten) kontinuerligt blir längre . Denna minimala ökning av dagslängden beror främst på oceanisk tidvattenfriktion. När den uppskattade hastigheten på nedgången projicerades tillbaka till tidigare geologiska eoner visade den att längden på en dag var flera timmar kortare än idag.

Följaktligen under Devoniperioden (för 400 miljoner år sedan), jorden roterade cirka 40 gånger mer under en varv runt solen än den gör nu. Eftersom kontinenterna har drivit avsevärt sedan den tiden är det svårt att göra uppskattningar av marken kontra havets konturer för den eran. Vi kan dock vara säkra på att – med en snabbare snurrhastighet tidigare – var ekvatorialbulten med havsvatten mycket större än den är idag. På samma sätt var den ellipsoida utplattningen av jorden också mer betydelsefull.

Denna animation visar de intermittenta stadierna under denna migrering av jordens hav och förändringar i landomfattning, topografisk höjd och badymetrisk djup orsakad av den minskande hastigheten för jordens rotation. Den visar effekterna av den gradvisa minskningen av centrifugalkraften från dess nuvarande nivå till ingen, vilket gör att gravitationen är den enda kraften som styr havets omfattning.

Påverkan av jordens hastighet ”Rotationen har en dominerande effekt på jordens geometri, i termer av jordens övergripande form liksom konturen för det globala havet. Jordens fysiska lättnad är bara en sekundär faktor som styr avgränsningen av haven. Avmattningen av jordens rotation kommer att fortsätta i 4 miljarder år – så länge vi kan föreställa oss. Avmattningen ändrar oändligt – men stadigt – jordens geometri och gör den dynamisk. Nettoresultatet av dessa dynamiska justeringar är att jorden långsamt blir mer och mer som en sfär. Det kommer dock att ta miljarder år innan jorden slutar snurra, och gravitationens ekvipotential skapar en genomsnittlig havsnivå som är en perfekt sfär.

Om författaren

Witold Fraczek är en långvarig anställd hos Esri som för närvarande arbetar i Application Prototype Lab.Han fick sin doktorsexamen i tillämpningen av GIS i skogsbruk från Agricultural University och magisterexamen i hydrologi från University of Warszawa, Polen, och fjärranalys från University of Wisconsin, Madison.