Почему океаны не выливаются в космос

Как гравитация влияет на воду на планетах

Главная причина, по которой океаны остаются на поверхности Земли - это гравитационное притяжение. Наша планета обладает большой массой, поэтому притягивает окружающие объекты, включая атмосферу, ледники, реки и морскую воду. Для жидкости это означает, что она стремится занимать наиболее низкие участки рельефа относительно местного направления силы тяжести.

Человеку, который живёт в Северном полушарии, может казаться странным, что океаны Южного полушария не падают вниз. Однако понятие «вниз» в разных точках земного шара означает направление приблизительно к центру планеты. Поэтому вода удерживается одинаковым физическим механизмом и в Атлантическом океане, и возле берегов Антарктиды.

Можно представить Землю как огромный шар, окружённый множеством направленных к его центру стрелок. Каждая такая стрелка показывает действие гравитации в определенной точке поверхности. Для жителя Австралии направление вниз противоположно направлению вниз для человека на другой стороне планеты, но оба одинаково надежно стоят на земле.

Вода обладает текучестью, поэтому легко изменяет форму под действием внешних сил. Если налить её в стакан, она займет нижнюю часть ёмкости. Если вылить на наклонную поверхность, потечет в направлении уменьшения гравитационного потенциала. На планетарном масштабе океан ведет себя сходным образом, только его форму определяют земное притяжение, вращение планеты и особенности рельефа.

Важное значение имеет гидростатическое равновесие — состояние, при котором давление жидкости изменяется с глубиной так, чтобы уравновешивать действие силы тяжести. Чем глубже погружаться в океан, тем больше масса воды над выбранной точкой и тем выше давление. Благодаря этому внутри огромной водной оболочки сохраняется устойчивое распределение сил.

Но океанская поверхность не представляет собой идеальную геометрическую сферу. Земля слегка сплюснута у полюсов, материки имеют разную форму, а распределение массы внутри планеты неоднородно. Поэтому спокойная поверхность Мирового океана в среднем следует сложной фигуре, называемой геоидом. Геоид можно представить как условную поверхность, на которой гравитационный потенциал имеет одинаковое значение с учетом вращения Земли. Она немного отклоняется от правильного эллипсоида из-за различий в распределении плотных пород, горных массивов и других особенностей строения планеты.

Получается, что океаны не нуждаются в невидимом сосуде или физических бортах. Вода находится на поверхности Земли потому, что гравитация удерживает её гораздо сильнее, чем обычные процессы движения жидкости способны унести её в открытый космос.

Центробежная сила

Земля постоянно вращается вокруг своей оси, совершая оборот примерно за 24 часа. Возникает вопрос: почему при таком движении океаны не разлетаются в разные стороны? Для объяснения необходимо учитывать инерцию и центробежную силу.

Центробежная сила появляется в описании движения из вращающейся системы отсчёта. Ее направление противоположно оси вращения, а величина зависит от расстояния до этой оси и угловой скорости. Поэтому наиболее заметно её действие возле экватора, тогда как на географических полюсах соответствующий эффект равен нулю.

Однако центробежное воздействие, связанное с вращением Земли, значительно слабее её гравитации. На экваторе оно уменьшает эффективное ускорение свободного падения примерно на 0,034 м/с². Для сравнения, характерное ускорение земной гравитации составляет около 9,8 м/с². Следовательно, обычное вращение не способно заставить океаны оторваться от планеты.

Влияние вращения всё же заметно на глобальном уровне:

• Земля немного расширена у экватора. Её экваториальный радиус больше полярного примерно на 21 километр;

• Поверхность океана приспосабливается к вращению. Спокойная вода стремится расположиться вдоль соответствующей поверхности равного потенциала;

• Эффективная сила тяжести немного различается по широтам. На экваторе она слабее, чем у полюсов, в том числе из-за вращения.

Если мысленно увеличить скорость вращения планеты во много раз, воздействие на океаны стало бы сильнее. При экстремально быстром вращении и иных условиях вещество в экваториальной области могло бы терять устойчивость. Но для современной Земли такой сценарий не имеет отношения к действительности.

Поэтому центробежная сила не является причиной постоянного вытекания воды в космос. Она лишь немного меняет форму планеты и распределение эффективной тяжести на её поверхности.

А что будет, если сила тяжести пропадет

Полное исчезновение земной гравитации - это фантастическое предположение, поскольку в современной физике масса планеты не может просто перестать создавать гравитационное поле. Тем не менее такой мысленный эксперимент помогает представить, насколько сильно океаны зависят от притяжения Земли.

Если вообразить, что гравитация планеты мгновенно перестала действовать, вода больше не удерживалась бы прежним образом у поверхности. При этом океаны не обязательно превратились бы в единый поток, устремленный в одну сторону. На дальнейшее движение влияли бы первоначальные скорости жидкости, вращение Земли, воздействие других небесных тел и взаимодействие воды с окружающей средой.

Жидкость обладает инерцией, поэтому отдельные её части продолжили бы двигаться в направлениях, соответствующих их скоростям в момент изменения условий. В отсутствие прежнего притяжения многие участки океана начали бы отделяться от поверхности, формируя сложные потоки и скопления воды.

При этом крупный водный объём не сразу распался бы на отдельные капли. Силы поверхностного натяжения стремятся уменьшать площадь поверхности жидкости, поэтому небольшие свободные порции воды могут приобретать округлую форму. Но для океана объемом в миллиарды кубических километров одного поверхностного натяжения недостаточно, чтобы удержать его в виде устойчивого шара.

Не менее серьезные изменения коснулись бы атмосферы. Без земного притяжения воздух больше не сохранял бы привычного распределения вокруг планеты. Давление над поверхностью изменялось бы, а это непосредственно влияло бы на состояние воды.

В условиях очень низкого давления открытая жидкая вода не может существовать так же, как в земных океанах. Часть её начала бы интенсивно испаряться, теряя энергию и охлаждаясь. В определённых условиях оставшаяся вода могла бы замерзать, а образовавшийся лёд стал бы постепенно сублимировать.

Возможные последствия такого фантастического события выглядели бы следующим образом:

• Океаны перестали бы удерживаться у поверхности прежним гравитационным механизмом и начали бы перераспределяться в пространстве;

• Атмосфера утратила бы устойчивое распределение, что привело бы к резкому изменению давления;

• Жидкая вода меняла бы агрегатное состояние из-за новых условий давления и теплообмена;

• Привычная жизнь на поверхности стала бы невозможной, поскольку исчезли бы условия, необходимые для существования устойчивых океанов и атмосферы.

При этом важно различать два сценария: исчезновение гравитационного поля Земли и обычную невесомость на космической станции. Во втором случае планета продолжает притягивать объекты, а космонавты и окружающее оборудование находятся в совместном свободном падении. Это совершенно не означает, что их вода или воздух автоматически улетают в космос.

Наконец, исчезновение земного притяжения повлияло бы не только на океаны. Оно изменило бы движение Луны, искусственных спутников и других объектов, связанных с нашей планетой. Поэтому подобный мысленный эксперимент нельзя ограничить одним вопросом о поведении жидкости.

В реальности же у человечества нет оснований ожидать внезапного исчезновения гравитации. Масса Земли не меняется таким образом, чтобы её океаны могли однажды самостоятельно покинуть поверхность из-за потери притяжения.

Как влияют спутники на воду на планетах

Хотя гравитация Земли удерживает океаны, окружающие небесные тела способны немного изменять распределение воды. Особенно заметно воздействие Луны, которое приводит к морским приливам и отливам.

Луна притягивает разные участки Земли с неодинаковой силой. Ближайшая к спутнику сторона планеты испытывает несколько более сильное воздействие, чем её центр, а противоположная более слабое. Эта разница называется приливной силой. Именно она приводит к небольшому растяжению водной оболочки Земли.

В упрощенной модели на планете возникают две приливные выпуклости. Одна со стороны Луны, а другая на противоположной стороне. Когда Земля вращается, различные участки побережья проходят через области повышенного и пониженного уровня воды.

Отсюда возникает распространённое представление, будто Луна буквально поднимает океан к себе, словно огромный магнит. На самом деле механизм сложнее. Приливы определяются различиями гравитационного воздействия, а не тем, что вся вода одновременно притягивается в одну сторону. При этом земная гравитация остается достаточно сильной, чтобы удерживать океаны на поверхности.

Солнце также участвует в формировании приливов. Несмотря на гораздо большую массу звезды, её приливное воздействие на Землю слабее лунного из-за большого расстояния. Когда Солнце, Земля и Луна располагаются примерно на одной линии, их приливные эффекты усиливают друг друга. В периоды первой и последней четвертей Луны общий приливный диапазон обычно уменьшается.

Однако реальные океаны не представляют собой равномерную водную оболочку. Материки, глубины, форма берегов и особенности морских бассейнов меняют распространение приливной волны. Поэтому в некоторых районах колебания уровня воды сравнительно небольшие, а в других разница между приливом и отливом достигает нескольких метров.

Особенно заметны подобные явления в узких заливах и местах со сложной геометрией побережья. Там вода может усиливать собственные колебания из-за особенностей распространения приливных волн. Поэтому прогнозирование приливов требует учитывать не только расположение небесных тел, но и строение конкретного участка океана. Влияние естественных спутников не ограничивается морским уровнем. Приливные взаимодействия постепенно изменяют вращение Земли и движение Луны. Энергия частично рассеивается в океанах, а Луна медленно удаляется от нашей планеты - примерно на 3,8 сантиметра в год.

На других небесных телах приливные силы способны играть ещё более необычную роль. Учёные считают, что под ледяной поверхностью спутника Юпитера Европы существует глобальный океан жидкой воды. Гравитационное воздействие Юпитера периодически деформирует спутник, создавая внутреннее тепло, которое помогает поддерживать воду в жидком состоянии.

Похожие процессы изучают на Энцеладе. Это небольшой спутник Сатурна. Космический аппарат Cassini зарегистрировал выбросы водяного пара и ледяных частиц из трещин в его южной полярной области. Эти наблюдения стали важным свидетельством существования подповерхностного океана. Такие океаны не выливаются в космос целиком, поскольку их удерживают гравитация спутников и окружающие слои льда. При этом отдельные частицы воды способны покидать поверхность через трещины и гейзеры. Так наглядно проявляется разница между сохранением огромного водного резервуара и локальной потерей вещества.

Следовательно, естественные спутники способны менять движение воды и даже помогать сохранять жидкие океаны в холодных мирах. Но они не отменяют гравитационное притяжение самой планеты или спутника. Именно поэтому океаны Земли остаются на месте, несмотря на вращение, приливы и постоянное движение планеты вокруг Солнца.

Наша игра

Если вам интересно изучать далекие миры, попробуйте WarForGalaxy - бесплатную кроссплатформенную 4X-стратегию про освоение планет и космические войны. Развивайте колонии, создавайте флоты, вступайте в альянсы с игроками со всего мира и используйте ИИ-помощника Hermes для управления империей. На компьютере игра запускается прямо в браузере, а продолжать развитие можно со смартфона.