Bon Jovian simulation
В Каузальном ангеле Ханну Райяниеми для срабатывания экпиротического ружья зоку требовался боеприпас, сравнимый по массе с газовым гигантом.
В окрестностях Солнца, да и, наверное, в любой другой звездной системе, таких хватит от силы на пару-тройку выстрелов, а жители любой внутренней планеты или пояса астероидов, надумавшие применять такое оружие, вскорости горько пожалеют о своем неосмотрительном поступке.
Ведь именно гравитационное поле Юпитера отклоняет значительную часть комет, летящих к плоскости эклиптики из пояса Койпера и облака Оорта, таким образом, что те либо оказываются «заперты» между орбитами внешних планет, либо сталкиваются с самой массивной планетой системы.
Конечно, иногда, как при падении на Землю реального Чиксулубского астероида или ядра кометы Хэмнера-Брауна из Молота Люцифера Нивена и Пурнелла, воздействие юпитерианского “пылесоса” оказывается обратным желаемому, и необязательно углубляться в раскопки костей динозавров, чтобы вас проняло ощущение экзистенциальной угрозы.
По весьма убедительной гипотезе, свежайший на данный момент пример такого неудачного стечения обстоятельств датируется поздним дриасом, когда кометный обломок стер с лица планеты одно из крупнейших тогдашних поселений человека — сирийскую неолитическую деревушку на месте, известном ныне под названием Абу-Хурейра.
Но куда чаще воздействие Юпитера на внутренние планеты и, в частности, Землю, оказывается благотворным; осенью я уже рассказывал, как Юпитер мог сыграть фундаментальную роль в трансформациях венерианской атмосферы и возникновении примитивной жизни на этой планете. Находку фосфина в атмосфере Венеры активно пытаются “закрыть”, объясняя ее наложением спектральной линии мезосферного диоксида серы, и это возражение действительно кажется серьезным.
Поэтому лучше займемся пока дальнейшим рассмотрением позитивных аспектов гравитации Юпитера для нашего с вами родного мира, а заодно проведем проверку орфографии у одного из авторов “Мира Фантастики”.
В работе астрофизиков из Австралии, Великобритании и США, опубликованной уже более года назад, но не привлекшей тогда существенного внимания, затронут деликатный вопрос о влиянии Юпитера на циклы Миланковича — колебательные процессы изменений кеплеровых элементов орбиты Земли, которыми успешно объясняются изменения климата, предшествующие зарождению человеческой цивилизации. Алармисты, приверженные культу глобального потепления, уверены, что антропогенное воздействие человека уже привело к выбросу в атмосферу количества парниковых газов, вполне достаточного, чтобы заблокировать как минимум пару ледниковых периодов, ожидаемых на последовательности Миланковича.
Наклон оси вращения Земли к плоскости ее орбиты в настоящее время осциллирует между значениями 21.5◦ и 24.5◦ с периодом 41 тыс. лет.
Когда-то и климатические циклы точно укладывались в этот период, но около миллиона лет назад, в среднем плейстоцене, произошел неожиданный переход в новый режим, после которого шаг осцилляции увеличился до 100 тыс. лет. С тех пор он лучше соответствует колебаниям освещенности планеты вследствие осцилляций эксцентриситета земной орбиты, чем одного лишь наклона оси вращения.
Это одна из величайших загадок климатологии, известная как “проблема 100000”. На первый взгляд, один лишь эксцентриситет не мог стать тому причиной. Соблазнительно допустить, что совпадение периодов — случайное, обязанное комбинации факторов: наибольшее доступное ныне Земле значение эксцентриситета составляет лишь 0.0679 (современное же — 0.017, и оно расположено в нисходящей ветке цикла).
Как проходила бы орбитальная и, следовательно, климатическая эволюция Земли при изменениях более фундаментальных, в архитектуре самого солнечного оррерия? Не уподобилась ли она бы Гелликонии Брайана Олдисса или Гетен Урсулы ле Гуин?
На этот вопрос и пытаются ответить исследователи с помощью кропотливых симуляций задачи N тел с участием Земли и других планет системы на отрезках в 10 млн лет (таков верхний предел практического интереса современной вычислительной астрофизики, так как уже за сотни миллионов лет, а то и за десятки, виртуальная Солнечная система неизбежно хаотизируется) и шагом интегрирования 1000 лет. Учитывая, что Юпитер с отрывом опережает остальные планеты по массе, было принято решение варьировать лишь его полуось орбиты и эксцентриситет, а остальные затравочные параметры, относящиеся к орбитам Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Сатурна, Урана и Нептуна, оставить неизменными.
Всего протестированы 399 значений, сцентрированных вокруг параметров Юпитера нашей реальности, у которого большая полуось орбиты равна 5.203 а.е. Эксцентриситет орбиты варьировал от нулевого до 0.4, отвечающего средней растяженности эллипса (в наши дни у Юпитера он равен 0.0484). Большая часть (74 %) получаемых при этом конфигураций предсказуемо оказалась неустойчива, и выявлено лишь две узких полосы стабильности для всего ареала значений эксцентриситета орбиты Юпитера — они обязаны появлением стабилизирующему влиянию Юпитера и Сатурна.
Выяснилось, что стабильные симуляции воспроизводят три основных моды колебаний эксцентриситета земной орбиты — с периодами около 400, 95 и 123 тыс. лет соответственно (в порядке убывания спектральной мощности), что отлично согласуется с наблюдениями.
Основное влияние на эту периодичность оказывает большая полуось орбиты Юпитера, воздействие же юпитерианского эксцентриситета незначительно. В зависимости от размещения Юпитера период длинного цикла эксцентриситета орбиты Земли может увеличиваться аж до 2.5 млн лет.
Если первоначально Юпитер находится ближе к Солнцу, как, вероятно, и в реальном прошлом системы, период циклов земного эксцентриситета весьма короток — от 50 до 100 тыс. лет.
Смещение газового гиганта во внешние области системы приводит к неустойчивости циклов, и, вероятно, на шаге симуляции длиннее 10 млн лет даже эти стабильные конфигурации хаотизируются (белая полоса), приобретая апериодические длинноамплитудные орбитальные параметры.
И в окрестностях регионов неустойчивости длиннопериодические колебания также весьма чувствительны к незначительным смещениям большой полуоси орбиты Юпитера: обратите внимание, к примеру, на области близ 4.25, 4.6, 4.8 а.е. Там наблюдается режим с обострением.
В отличие от длиннопериодической моды, более короткие циклы остаются устойчивы (с периодом не более 140 тыс. лет) во всем диапазоне смещений Юпитера, и именно с ними, насколько можно судить, синхронизированы ныне климатические изменения на Земле.
Циклы наклона оси вращения к плоскости орбиты (на диаграмме спектральных мощностей это панели c, d) менее масштабны, по мере смещения Юпитера во внешние области системы они растягиваются от 30 тыс. лет до 85 тыс. лет, практически совпадая с циклами эксцентриситета— и тоже возмущены близ a = 4.1 а.е., однако не уходят в хаос, сохраняя устойчивость на всем протяжении симуляции. Если Юпитер располагается у отметки 4.1 а.е., пик самого длинного цикла наклона земной оси вращения быстро возрастает до 2.5 млн лет, потом так же быстро падает до 500 тыс. лет. Более короткая мода колебаний постепенно возрастает со 100 тыс. лет до 500 тыс. лет по мере удаления Юпитера к отметке 7.2 а.е. и стабилизируется.
Это касается, впрочем, лишь периодичности: амплитуда осцилляции наклона оси вращения испытала бы значительные возмущения, от 10°.
Традиционно считается, что подобный размах колебаний несовместим с существованием жизни на планете, и от него биосферу спасает Луна — Земля и ее огромный спутник фактически образуют двойную планету, и на этом уникальном обстоятельстве основана методика поисков Земли в Академии и Земле Айзека Азимова.
(У Марса, напротив, спутников хоть и два вместо одного, но они гораздо меньше и легче Луны, стабилизирующего воздействия на орбиту планеты не оказывают. Будущим клиентам SpaceX лучше приготовиться к непредсказуемым переменам климата, вызванным вариациями толщины и состава атмосферы — что бы там ни блажили из Лаборатории по изучению реактивного движения НАСА.)
Впрочем, не все так уж безнадежно: в другой занимательной работе, где моделируются разброд и шатание оси вращения гипотетической безлунной Земли, озвучен жизнерадостный вывод, что хотя в этом случае перепады угла наклона все же достигают 20–25°, но для прохождения всего диапазона изменений нужно время как минимум не меньшее, чем от кембрийского взрыва до наших дней, а как максимум — превосходящее типичный срок жизни звезды солнечного типа.
Как видим, одного лишь покровительства Луны тоже было бы недостаточно, вздумай Юпитер разместиться всего-то на четверть ближе к Солнцу от своей нынешней позиции.
В нашем варианте реальности разница инсоляции при минимумах и максимумах эксцентриситета едва достигает 0.2 %, но и этого, похоже, хватает для запуска долговременных климатических изменений, когда циклы орбитальных параметров действуют синергично. Накладываясь друг на друга, колебания эксцентриситета, угла наклона оси вращения и аргумента перицентра могут создать, к примеру, ситуацию, при которой экваториальная инсоляция за год проходит лишь один максимум и один минимум, а не два, как в настоящее время. Авторы обсуждаемой работы выявили ареалы симуляции, где разница в солнечных постоянных более чем на порядок выше и достигает 10 %, или 24 Вт/кв. м земной поверхности.
Для сравнения, чтобы достичь подобного результата, человечеству пришлось бы увеличить присутствующее ныне в атмосфере количество углекислого газа примерно в 16 раз.
LoadedDice
