Авторизация

Логин:
Пароль:
Восстановить пароль
Регистрация
  • Форум
  • Блоги
  • Контакты
  • Новости
  • Продукты
  • Отрасли
  • Обучение
  • Поддержка
  • События
  • О компании
  • 1 (56) | 2011 Моделирование в ArcGIS ситуации без влияния центробежной силы

    По материалам Esri

     

    Our World without centrifugal force

     

    Общая врезка

    «Когда Земля перестанет вращаться вокруг собственной оси, глобальная миграция огромных масс океанической воды прекратится. Уровень океана будет разным в разных местах, а распределение суши и водных масс на поверхности нашей планеты станет совершенно другим. То есть география нашего Мира полностью изменится»

     

    Изложенное ниже вовсе не является футуристическим сценарием. Это не научная фантастика. Это демонстрация уникальной способности ГИС моделировать результаты пусть и маловероятного, однако захватывающего с интеллектуальной точки зрения предположения: Что произойдет, если вращение Земли постепенно замедлится а потом и совсем прекратится? Функциональность ArcGIS использовалась для проведения комплексного растрового анализа, объемных пространственных расчетов и создания серии карт, которые визуализируют эти результаты, отображая хронологию развития событий.

    the world as we know it

    earth's ellipsoid

    Наш Мир, каким мы его знаем. Явная граница суши и океана обозначается изолинией нулевой высоты.

    Более длинная экваториальная ось земного эллипсоида превышает полярную по длине более чем на 21,4 км (или на 1/3%). Сплющивание эллипсоида, показанное на данной карте, намеренно преувеличено.

    Наиболее важной чертой на любой карте, содержащей хотя бы фрагмент земного океана, является граница между водой и сушей. Как правило, мы не уделяем особого внимания очертаниям морей, поскольку они кажутся настолько очевидными и постоянными, что мы не осознаем, что это основа географии и фундамент нашего восприятия окружающего материального мира.

    Линия, отделяющая океан от континентов, является самым фундаментальным контуром. Это нулевая высота, поскольку она обозначает уровень моря. Почему уровень моря находится именно на такой отметке? Что контролирует уровень моря? Насколько устойчивы силы, определяющие уровень моря? Данная статья не затрагивает вопросы, относящиеся к изменениям климата и возможному повышению уровня воды в Мировом океане, она касается геометрии земного шара и мощных геофизических энергий, определяющих, где располагаются океаны.

    Уровень моря находится – и находился всегда – в равновесии с планетарной силой тяжести, смещающей воду по направлению к центру массы Земли, и противодействующей центробежной силой, которая возникает из-за вращения планеты. Спустя несколько миллиардов лет вращения вокруг своей оси Земля приняла форму эллипсоида (который можно рассматривать как сплюснутую сферу). Таким образом, расстояние до центра массы Земли больше всего у экватора и меньше всего за полярными кругами. В настощий момент разница между средним уровнем моря вокруг экватора и расстоянием до центра массы Земли от уровня моря на полюсах составляет примерно 21,4 км.

    gravity of the still earth

    when global rotation stops

    Сила тяжести покоящейся Земли наибольшая в полярных районах (выделены зеленым). Она имеет промежуточное значение в средних широтах и наиболее мала на больших высотах в Андах вблизи экватора.

    Если Земля перестанет вращаться, то прекратится перемещение океанических водных масс и уровень моря будет различным в разных местах, что полностью изменит географию нашего мира.

    Что случится, если в ближайшие несколько десятилетий вращение Земли замедлится и в итоге прекратится? ArcGIS позволяет моделировать развитие по данному сценарию, производя расчеты и оценки и создавая серии карт, демонстрирующих, какое влияние оказывало бы отсутствие центробежной силы на уровень моря и облик нашей планеты.

    Если бы Земля прекратила вращаться вокруг своей оси, но продолжала бы обращаться вокруг Солнца и наклонение ее оси вращения осталось бы прежним, длина года осталась бы неизменной, но день длился бы столько же, сколько год. При этом воображаемом сценарии последовательное исчезновение центробежной силы вызвало бы катастрофические изменения климата и страшные геологические адаптации (выражающиеся в опустошительных землетрясениях) к меняющемуся эквипотенциальному гравитационному состоянию.

    Отсутствие действия центробежной силы привело бы к тому, что единственной значимой силой, контролирующей распределение океанов, была бы сила тяжести. Ближайшие небесные тела, такие как Луна и Солнце, также играли бы некоторую роль, однако из-за того, что расстояние до них велико, их воздействие на Мировой океан было бы пренебрежимо мало.

    Если бы только сила тяжести отвечала за формирование новой географии, огромное выпячивание океанических вод – которое сейчас составляет около 8 км на экваторе – переместилось бы туда, где сила тяжести была бы максимальной. Эта выпуклость объясняется центробежным эффектом вращения Земли вокруг своей оси с линейной скоростью 1667 км/час на экваторе. Существующее выпячивание океанических вод также наполняет («поддувает») эллипсоидальную форму земного шара.

    map of a hypothetical northern circumpolar ocean

    Показано распространение гипотетического северного циркумполярного океана на территорию Северной Америки. Оранжевый цвет обозначает районы с высотами более 3000 метров над уровнем северного океана. Красными точками представлены некоторые крупнейшие города континента.

    Выпуклость определяет итоговую форму земного шара, которая используется как стандарт для описания формы Земли, устанавливая единый уровень моря в гравитационном равновесии. Геометрию именно этой формы геодезисты пытались рассчитать более века. Их усилия завершились принятием эллипсоида, получившего название Геодезическая система мира 1984 (WGS84, трёхмерная система координат для позиционирования на Земле), международным сообществом в Вашингтоне (округ Колумбия) в 1984 году. Эллипсоид WGS84 аппроксимирует форму Земли более аккуратно, чем многие другие эллипсоиды, предложенные ранее.

    Если бы Земля покоилась, океаны сместились бы к полюсам, что вызвало бы подъем суши в экваториальных районах. Это бы привело к образованию огромного экваториального мега-континента и двух больших полярных океанов. Линия, ограничивающая области, которые гидрологически относятся к одному или другому океану, проходила бы по экватору, если бы Земля была идеальным эллипсоидом. Впрочем, в связи со значимым рельефом континентов и океанического дна, гипотетическое разделение земного шара на области, которые принадлежат, с гидрологической точки зрения, к бассейну того или иного океана, значительно отклоняется от экватора. По аналогии с известным Континентальным водоразделом США, это была бы граница, разделяющая два гигантских полусферных бассейна новых циркумполярных океанов. Любопытно, что высочайшая точка этого водораздела не была бы высочайшей точкой всего земного шара. Самая высокая точка водораздела в Колумбийских Андах достигала бы около 12280 метров, в то время как высоты знаменитых экваториальных вулканов Чимборасо (Эквадор) и Килиманджаро (Танзания) составляли бы 13615 и 12786 метров, соответственно. Оба вулкана не попадали бы на линию мирового водораздела. Самая низкая точка этого водораздела, имеющая высоту 2760 метров, располагалась бы к юго-западу от островов Кирибати в западной части современного Тихого океана.

    Благодаря уникальному рельефу земной поверхности, в начале замедления вращения наиболее значительные изменения береговой линии произошли бы в высоких широтах Северного полушария, где разрастающийся океан быстро заполнил бы плоские и обширные территории северной Сибири и северной Канады. В то же время, изменения границ континентов в низких широтах едва ли были бы столь заметны, поскольку (за редким исключением) экваториальные воды глубокие, и уменьшение уровня воды на несколько десятков метров не привело бы к появлению больших участков суши. К концу периода замедления, когда основные географические черты океанов и суши уже приспособились бы к эллипсовидной форме земного шара и новому распределению силы тяжести, происходящие изменения были бы относительно малы. Это может объясняться эллипсовидной формой земного шара, которая подавляет влияние разнообразия рельефа Земли.

    В настоящее время все земные океаны соединяются друг с другом. За счет этого формируется Мировой океан с примерно одинаковым уровнем моря. Как следствие замедления вращения Земли, граница Мирового океана непрерывно подвергалась бы существенным изменениям. Экваториальные воды перемещались бы к полярным областям, вызывая на экваторе сильное уменьшение глубины и одновременно заполняя полярные бассейны, у которых вместимость намного меньше. Поскольку регионы в высоких широтах северного полушария оказались бы затопленными, площадь северного циркумполярного океана быстро бы расширилась, покрывая обширные низины Сибири и северные районы Северной Америки. Мировой океан оставался бы единым, пока скорость вращения Земли не снизилась бы до значения, при котором произошло бы разделение океанов. Взаимодействие между инерцией огромных водных масс и уменьшающейся центробежной силой было бы очень сложным. Вследствие устойчивого замедления вращения Земли, Мировой океан постепенно разделился бы на два океана. Очевидно, что последняя связь между ними нарушилась бы в самой низкой точке мирового водораздела, расположенной к юго-западу от островов Кирибати. Так как в настоящее время западная часть Тихого океана имеет плоский рельеф, осушение было бы быстрым, поскольку у воды не было бы возможности перетекать из одного циркумполярного океана в другой после первоначального разрыва. Область окончательного разделения двух океанов, протяженностью в сотни километров, одновременно поднималась бы над уровнем моря и осушалась.

    map of gravity pulling more water toward the Arctic Ocean

    map of a deepening Arctic Ocean

    Если бы сила тяжести вытесняла больше воды в сторону Арктического океана, низины Сибири и северной Канады оказались бы затопленными. Соответствующее движение воды от экваториальных районов в сочетании с мелким континенталным шельфом к юго-востоку от Азии и к северу от Австралии вызвало бы подъем суши.

    Углубляющийся Арктический океан привел бы к дальнейшему распространению воды над северными равнинами Азии, Европы и Северной Америки. Гренландия и Антарктида, несмотря на их большие высоты, значительно уменьшились бы в размерах. Новые архипелаги поднялись бы над уровнем моря в южных морях. Великие Американские озера, самые большие резервуары пресной воды в мире, растворились бы в этом океане.

    Если бы замедление продолжилось и после разделения на два океана, происходило бы дальнейшее перемещение океанической воды к полюсам. Удивительно, что (несмотря на высоту Антарктиды), южный полярный бассейн имеет большую вместимость, чем северный. Если взять фиксированный объем воды в обоих полушариях, большая вместительность бассейна южного полюса привела бы к тому, что уровень моря там был бы ниже, чем в Северном полушарии. Согласно объемным вычислениям, сделанным с помощью дополнительного модуля ArcGIS 3D Analyst, различие между уровнем моря в двух океанах составило бы 1407 метров. Впрочем, надежность данных не обеспечивает такой уровень точности, поэтому разница в уровнях океанов бралась равной 1400 м.

    Серия карт, иллюстрирующих данную статью, демонстрирует скачкообразные стадии в процессе миграции земных океанов и изменений в размерах суши, высоте рельефа и батиметрических глубинах, вызванных уменьшением скорости вращения Земли. На этих картах показаны промежуточные этапы перехода от географии вращающегося мира к географии неподвижного. Они иллюстрируют влияние постепенного уменьшения центробежной силы от ее современного значения до нуля, считая силу тяжести единственной силой, контролирующей распределение океана.

    Реально происходящее замедление вращения Земли было замечено, измерено, рассчитано и теоретически объяснено. В связи с развитием новых методологий и созданием более точных инструментов, величина этого замедления по разным источникам варьирует в некоторых пределах. В ответ на это очень постепенное замедление атомные часы нужно согласовывать с астрономическим временем путем добавления время от времени корректировочной секунды. Первая корректировочная секунда была добавлена в 1956 году.

    map of all of Antarctica under water

    large land areas near the equator continue growing and join with each other

    В этот момент вся Антарктида оказалась бы под водой. Северные полярные воды и воды над обширными, недавно затопленными территориями Сибири и Канады становились бы глубже. В то же время экваториальные воды становились бы мельче.

    Большие участки суши вблизи экватора продолжают расти из воды и объединяются друг с другом. К настоящему моменту почти вся Канада, Европа и Россия покрыты северным циркумполярным океаном.

    Большинство ученых согласны, что солнечный день (связанный со скоростью вращения Земли) непрерывно удлиняется. Это минимальное увеличение длины дня (суток) вызвано в основном океаническим приливно-отливным трением. Когда произведенную оценку уровня замедления экстраполировали в минувшие геологические эпохи, было показано, что день тогда был на несколько часов короче сегодняшнего.

    Следовательно, в течение Девонского периода (400 миллионов лет назад), за время одного оборота вокруг Солнца, Земля оборачивалась вокруг своей оси примерно на 40 раз больше, чем сейчас. Поскольку континенты значительно сместились с тех пор, сложно оценить долю суши и моря для той эры. Тем не менее, мы можем быть уверены в том, что – при большей скорости вращения в минувшие эпохи – экваториальное выпячивание океанических вод было больше, чем сейчас. По-видимому, эллипсоидальное сплющивание Земли было также более значительным.

     

    an equatorial megacontinent is formed
    Как только нарушается последнее водное сообщение между двумя огромными нео-океанами, формируется экваториальный мега-континент. Расположенные вблизи материка районы океанов мельчают, в то время как воды полярных регионов становятся все глубже и глубже. Бывшие абиссальные равнины и океанические впадины превращаются во внутренние моря нового континента.

     

    Скорость вращения Земли оказывает определяющее влияние на геометрию шара, причем как на форму всего земного шара, так и на контуры Мирового океана. Физический рельеф Земли – это лишь вторичный фактор, контролирующий границу океанов. Замедление вращения Земли продолжится в ближайшие 4 миллиарда лет – так долго, как мы можем вообразить. Это замедление – бесконечно мАло, но неуклонно – меняет геометрию земного шара и делает ее динамичной. Итоговым результатом этих динамических приспособлений является то, что Земля все больше и больше приближается по форме к сфере. Впрочем, пройдут миллиарды лет, прежде чем Земля прекратит вращаться вокруг своей оси и гравитационный эквипотенциал сформирует средний уровень моря, соответствующий идеальной сфере.

    Об авторе

    Витольд Фрацек (Witold Fraczek) давно трудится в компании Esri, сейчас он работает в лаборатории разработки прототипов приложений. Фрацек получил докторскую степень в области применения ГИС в лесной отрасли в Университете сельского хозяйства и степень магистра гидрологии в Варшавском университете в Польше, также ему была присвоена степень магистра в области дистанционного зондирования в Университете Висконсина, Мэдисон.




    Версия для печати