دوران الأرض

صورة لدوران الأرض التقطها مرصد المناخ الفضائي العميق

دوران الأرض حول محورها ، أو دورانها حول محورها، هو دوران كوكب الأرض حول محوره ، بالإضافة إلى تغيرات في اتجاه محور الدوران في الفضاء. تدور الأرض شرقًا ، في حركة أمامية . وعند النظر إليها من نجم القطب الشمالي (بولاريس) ، تبدو الأرض وكأنها تدور عكس اتجاه عقارب الساعة .

القطب الشمالي ، ويُسمى أيضاً القطب الشمالي الجغرافي أو القطب الشمالي الأرضي، هو النقطة في نصف الكرة الشمالي التي يتقاطع عندها محور دوران الأرض مع سطحها. وتختلف هذه النقطة عن القطب المغناطيسي الشمالي للأرض . أما القطب الجنوبي فهو النقطة الأخرى التي يتقاطع عندها محور دوران الأرض مع سطحها، ويقع في القارة القطبية الجنوبية (أنتاركتيكا) .

تدور الأرض حول محورها مرة كل 24 ساعة تقريبًا بالنسبة للشمس ، ولكنها تدور مرة كل 23 ساعة و56 دقيقة و4 ثوانٍ بالنسبة للنجوم البعيدة الأخرى ( انظر أدناه ). يتباطأ دوران الأرض تدريجيًا مع مرور الوقت؛ ولذلك، كان اليوم أقصر في الماضي. ويعود ذلك إلى تأثيرات المد والجزر التي يُحدثها القمر على دوران الأرض. تُظهر الساعات الذرية أن اليوم في الوقت الحاضر أطول بحوالي 1.7 مللي ثانية مما كان عليه قبل قرن من الزمان، [ 1 ] مما يزيد ببطء من معدل تعديل التوقيت العالمي المنسق (UTC) بالثواني الكبيسة . يُظهر تحليل السجلات الفلكية التاريخية اتجاهًا تباطؤيًا؛ فقد ازداد طول اليوم بحوالي 2.3 مللي ثانية لكل قرن منذ القرن الثامن قبل الميلاد . [ 2 ]

أفاد العلماء أن الأرض بدأت في عام 2020 بالدوران بسرعة أكبر، بعد أن كانت تدور ببطء مستمر، حيث كانت سرعتها أقل من 86,400 ثانية في اليوم خلال العقود السابقة. وفي 29 يونيو/حزيران 2022، اكتمل دوران الأرض في أقل من 24 ساعة بـ 1.59 مللي ثانية، مسجلةً بذلك رقماً قياسياً جديداً. [ 3 ] ونظراً لهذا الاتجاه، يناقش المهندسون في جميع أنحاء العالم "الثانية الكبيسة السالبة" وغيرها من التدابير الممكنة لحساب الوقت. [ 4 ]

يُعتقد أن هذه الزيادة في السرعة تعود إلى عوامل متعددة، منها الحركة المعقدة لنواة الأرض المنصهرة ، والمحيطات ، والغلاف الجوي ، وتأثير الأجرام السماوية كالقمر ، وربما تغير المناخ الذي يتسبب في ذوبان الجليد عند قطبي الأرض . وتُعزى كتلة الجليد إلى شكل الأرض الكروي المفلطح ، المنتفخ حول خط الاستواء. وعندما تقل هذه الكتلة، يرتد القطبان نتيجة فقدان الوزن، فتصبح الأرض أكثر كروية ، مما يؤدي إلى تقريب الكتلة من مركز ثقلها . وينص قانون حفظ الزخم الزاوي على أن الكتلة الموزعة بشكل أقرب حول مركز ثقلها تدور بسرعة أكبر. [ 5 ]

تبلغ سرعة دوران الأرض حوالي 1674.7 كم/ساعة (1040.6 ميل/ساعة؛ 465.2 م/ث؛ 1526.2 قدم/ث) عند خط الاستواء، لكنها تتناقص مع زيادة خط العرض، حتى تنعدم عند القطبين. ويعود ذلك إلى أن محيط الأرض يكون أكبر ما يمكن على طول خط الاستواء وأقصر ما يمكن عند القطبين. ويمكن حساب السرعة عند أي خط عرض معين بضرب السرعة الاستوائية في جيب تمام خط العرض. عند خط الاستواء، تبلغ السرعة حوالي 1674.7 كم/ساعة (1040.6 ميل/ساعة) ، ويتم حسابها بقسمة محيط الأرض الاستوائي ( حوالي 40075 كم (24901 ميل) ) على طول اليوم النجمي ( حوالي 23.93 ساعة ). أما عند خطوط العرض المتوسطة ، فتتناقص السرعة. على سبيل المثال، عند خط عرض 45 درجة، تبلغ السرعة حوالي 1184.2 كم/ساعة (735.8 ميل/ساعة) ( 1674.7 × جتا (45 درجة) ). أما عند القطبين، فتكاد السرعة تنعدم، إذ لا تُقطع أي مسافة هناك في دورة كاملة.          

تاريخ

تُظهر هذه الصورة ذات التعريض الطويل لسماء الليل الشمالية فوق جبال الهيمالايا النيبالية المسارات الظاهرية للنجوم أثناء دوران الأرض.

كان العديد من أتباع المدرسة الفيثاغورية بين الإغريق القدماء يؤمنون بدوران الأرض حول محورها بدلاً من الدوران اليومي الظاهري للسماء. ولعل أول من آمن بذلك هو فيلولاوس (470-385 قبل الميلاد)، على الرغم من أن نظامه كان معقداً، إذ تضمن وجود أرض معاكسة تدور يومياً حول نار مركزية. [ 6 ]

وقد أيّد هيكيتاس وهيراكليتوس وإكفانتوس في القرن الرابع قبل الميلاد صورةً أكثر تقليدية ، إذ افترضوا أن الأرض تدور حول محورها، لكنهم لم يقترحوا أنها تدور حول الشمس. وفي القرن الثالث قبل الميلاد، اقترح أريستارخوس الساموسي مركزية الشمس .

مع ذلك، انتقد أرسطو في القرن الرابع قبل الميلاد أفكار فيلولاوس باعتبارها مبنية على النظرية لا على الملاحظة. وقد طرح فكرة وجود كرة من النجوم الثابتة تدور حول الأرض. [ 7 ] وقد لاقت هذه الفكرة قبولاً واسعاً لدى معظم من أتوا بعده، ولا سيما كلاوديوس بطليموس (القرن الثاني الميلادي)، الذي اعتقد أن الأرض ستتعرض للدمار بفعل العواصف إذا ما دارت حول نفسها. [ 8 ]

في عام 499 ميلادي، اقترح الفلكي الهندي أريابهاتا أن الأرض الكروية تدور حول محورها يوميًا، وأن الحركة الظاهرية للنجوم هي حركة نسبية ناتجة عن دوران الأرض. وقدّم التشبيه التالي: "كما يرى الرجل في قارب يسير في اتجاه ما الأشياء الثابتة على الضفة وكأنها تتحرك في الاتجاه المعاكس، كذلك يرى الرجل في لانكا النجوم الثابتة وكأنها تتحرك غربًا." [ 9 ] [ 10 ]

في القرن العاشر الميلادي، أقرّ بعض الفلكيين المسلمين بأن الأرض تدور حول محورها. [ 11 ] ووفقًا للبيروني ، اخترع السجزي (توفي عام 1020 ميلاديًا) أسطرلابًا يُسمى الزراقي، استنادًا إلى فكرةٍ سادت بين بعض معاصريه مفادها أن "الحركة التي نراها ناتجة عن حركة الأرض لا عن حركة السماء". [ 12 ] [ 13 ] ويؤكد شيوع هذا الرأي مرجعٌ من القرن الثالث عشر الميلادي ينص على: "بحسب المهندسين، فإن الأرض في حركة دائرية دائمة، وما يبدو أنه حركة السماء هو في الحقيقة حركة الأرض لا النجوم". [ 12 ] وقد كُتبت رسائل لمناقشة هذه الفرضية، إما لدحض حجج بطليموس المعارضة أو للتعبير عن الشكوك حولها. [ 14 ] في مرصدي مراغة وسمرقند ، ناقش الطوسي (مواليد 1201) والقصجي (مواليد 1403) دوران الأرض؛ وتشبه الحجج والأدلة التي استخدموها تلك التي استخدمها كوبرنيكوس. [ 15 ]

في أوروبا في العصور الوسطى، تبنى توما الأكويني رأي أرسطو [ 16 ] ، وكذلك فعل جون بوريدان [ 17 ] ونيكول أورسم [ 18 ] على مضض في القرن الرابع عشر. ولم يتبلور الفهم المعاصر لدوران الأرض إلا بعد أن تبنى نيكولاس كوبرنيكوس نظامًا عالميًا مركزيًا للشمس عام 1543. وأشار كوبرنيكوس إلى أنه إذا كانت حركة الأرض عنيفة، فلا بد أن تكون حركة النجوم أكثر عنافًا. وقد أقر بمساهمة الفيثاغوريين، وأشار إلى أمثلة على الحركة النسبية. بالنسبة لكوبرنيكوس، كانت هذه الخطوة الأولى نحو وضع النموذج الأبسط لدوران الكواكب حول الشمس المركزية. [ 19 ]

استخدم تيكو براهي ، الذي قدم ملاحظات دقيقة استند إليها كبلر في وضع قوانينه لحركة الكواكب ، أعمال كوبرنيكوس كأساس لنظام يفترض ثبات الأرض. في عام 1600، أيد ويليام جيلبرت بشدة دوران الأرض في أطروحته عن مغناطيسية الأرض [ 20 ] ، مما أثر على العديد من معاصريه. [ 21 ] : 208 يُطلق على أولئك الذين لم يؤيدوا أو يرفضوا حركة الأرض حول الشمس علنًا، مثل جيلبرت، اسم "أشباه كوبرنيكوس". [ 21 ] : 221 بعد قرن من كوبرنيكوس، عارض ريتشيولي نموذج دوران الأرض بسبب عدم وجود انحرافات شرقية قابلة للملاحظة آنذاك في الأجسام الساقطة؛ [ 22 ] ستُعرف هذه الانحرافات لاحقًا باسم تأثير كوريوليس . ومع ذلك، فقد ساهمت إسهامات كبلر وجاليليو ونيوتن في تعزيز نظرية دوران الأرض.

الاختبارات التجريبية

يشير دوران الأرض إلى انتفاخ خط الاستواء وتسطح القطبين الجغرافيين . في كتابه "الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية "، تنبأ نيوتن بأن هذا التسطح سيبلغ جزءًا واحدًا من 230، وأشار إلى قياسات البندول التي أجراها ريشر عام 1673 كدليل على تغير الجاذبية ، [ 23 ] لكن القياسات الأولية لأطوال خطوط الزوال التي أجراها بيكارد وكاسيني في نهاية القرن السابع عشر أشارت إلى عكس ذلك. ومع ذلك، أثبتت قياسات موبيرتوي والبعثة الجيوديسية الفرنسية في ثلاثينيات القرن الثامن عشر تفلطح الأرض ، مؤكدةً بذلك صحة نظريات كل من نيوتن وكوبرنيكوس . [ 24 ]

في الإطار المرجعي للأرض الدوارة، يسلك الجسم المتحرك بحرية مسارًا ظاهريًا يختلف عن المسار الذي كان سيسلكه في إطار مرجعي ثابت. وبسبب تأثير كوريوليس ، تنحرف الأجسام الساقطة قليلًا شرقًا عن خط الشاقول العمودي أسفل نقطة إطلاقها، وتنحرف المقذوفات يمينًا في نصف الكرة الشمالي (ويسارًا في نصف الكرة الجنوبي ) عن اتجاه إطلاقها. ويُلاحظ تأثير كوريوليس بشكل رئيسي على نطاق الأرصاد الجوية، حيث يُعزى إليه اتجاه دوران الأعاصير المتعاكس في نصفي الكرة الشمالي والجنوبي (عكس عقارب الساعة ومع عقارب الساعة ، على التوالي).

بناءً على اقتراح من نيوتن عام 1679، حاول روبرت هوك دون جدوى التحقق من الانحراف المتوقع شرقًا لجسم يُسقط من ارتفاع 8.2 متر ، ولكن تم الحصول على نتائج قاطعة لاحقًا، في أواخر القرن الثامن عشر وأوائل القرن التاسع عشر، على يد جيوفاني باتيستا غولييلميني في بولونيا ، ويوهان فريدريش بنزنبرغ في هامبورغ ، وفرديناند رايش في فرايبرغ ، باستخدام أبراج أطول وأوزان تُطلق بعناية. [ ملاحظة 1 ] انحرفت كرة أُسقطت من ارتفاع 158.5  مترًا بمقدار 27.4  ملم عن الوضع الرأسي مقارنةً بالقيمة المحسوبة البالغة 28.1  ملم.

يُعدّ بندول فوكو، الذي بناه الفيزيائي ليون فوكو عام 1851، أشهر اختبار لدوران الأرض. ويتكون من كرة نحاسية مملوءة بالرصاص معلقة على ارتفاع 67 مترًا من قمة البانثيون في باريس. وبسبب دوران الأرض تحت البندول المتأرجح، يبدو مستوى تذبذبه وكأنه يدور بمعدل يعتمد على خط العرض. عند خط عرض باريس، كان الانزياح المتوقع والمُرصَد حوالي 11 درجة باتجاه عقارب الساعة في الساعة. وتُعرض بندولات فوكو الآن في متاحف حول العالم .

الفترات

تتقوس دوائر النجوم حول القطب السماوي الجنوبي، كما تُرى من الأعلى في مرصد لا سيلا التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي . [ 25 ]

يوم شمسي حقيقي

تُعرف فترة دوران الأرض حول محورها بالنسبة للشمس ( من منتصف النهار الشمسي إلى منتصف النهار الشمسي) باليوم الشمسي الحقيقي أو النهار الشمسي الظاهري . [ 26 ] يعتمد هذا اليوم على حركة الأرض المدارية، وبالتالي يتأثر بتغيرات الانحراف المركزي وميل مدار الأرض. يتغير كل من الانحراف المركزي وميل مدار الأرض على مدى آلاف السنين، لذا فإن التغير السنوي لليوم الشمسي الحقيقي يتغير أيضًا. عمومًا، يكون أطول من متوسط ​​اليوم الشمسي خلال فترتين من السنة، وأقصر خلال فترتين أخريين. [ 2 ] يميل اليوم الشمسي الحقيقي إلى أن يكون أطول قرب نقطة الحضيض، عندما تتحرك الشمس ظاهريًا على طول مسار الشمس الظاهري بزاوية أكبر من المعتاد، مستغرقةً حوالي 10 ثوانٍ إضافية. في المقابل، يكون أقصر بحوالي 10 ثوانٍ قرب نقطة الأوج . ويكون أطول بحوالي 20 ثانية قرب الانقلاب الشمسي ، عندما يتسبب إسقاط حركة الشمس الظاهرية على طول مسار الشمس الظاهري على خط الاستواء السماوي في تحرك الشمس بزاوية أكبر من المعتاد. في المقابل، قرب الاعتدالين ، يقل طول النهار الشمسي الحقيقي على خط الاستواء بنحو 20 ثانية . حاليًا، تتضافر تأثيرات الحضيض والانقلاب الشمسي لإطالة النهار الشمسي الحقيقي قرب 22 ديسمبر بمقدار 30 ثانية شمسية متوسطة، لكن تأثير الانقلاب الشمسي يُلغى جزئيًا بتأثير الأوج قرب 19 يونيو، حيث لا يزيد طول النهار إلا بمقدار 13 ثانية . أما تأثيرات الاعتدالين فتُقصر طول النهار قرب 26 مارس و 16 سبتمبر بمقدار 18 ثانية و 21 ثانية على التوالي. [ 27 ] [ 28 ]

متوسط ​​اليوم الشمسي

متوسط ​​اليوم الشمسي الحقيقي على مدار عام كامل هو اليوم الشمسي المتوسط ، الذي يحتوي على 86,400 ثانية شمسية متوسطة. حاليًا، كل ثانية من هذه الثواني أطول بقليل من الثانية في النظام الدولي للوحدات (SI) ، لأن متوسط ​​اليوم الشمسي للأرض أصبح الآن أطول بقليل مما كان عليه خلال القرن التاسع عشر بسبب الاحتكاك المدّي . وقد بلغ متوسط ​​طول اليوم الشمسي المتوسط ​​منذ إدخال الثانية الكبيسة عام 1972 ما بين 0 و2 مللي ثانية أطول من 86,400 ثانية في النظام الدولي للوحدات. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] وتبلغ سعة التقلبات العشوائية الناتجة عن اقتران اللب والوشاح حوالي 5 مللي ثانية. [ 32 ] [ 33 ] وقد اختار سيمون نيوكومب الثانية الشمسية المتوسطة بين عامي 1750 و1892 كوحدة زمنية مستقلة في جداوله الشمسية عام 1895 . استُخدمت هذه الجداول لحساب جداول الإفميريد العالمية بين عامي 1900 و1983، ولذلك عُرفت هذه الثانية بثانية الإفميريد . وفي عام 1967، أصبحت الثانية في النظام الدولي للوحدات مساوية لثانية الإفميريد. [ 34 ]

يُعد التوقيت الشمسي الظاهري مقياسًا لدوران الأرض، والفرق بينه وبين متوسط ​​التوقيت الشمسي يُعرف باسم معادلة الزمن .

يومٌ سماويٌّ وفلكي

على كوكب يدور في اتجاه دورانه كالأرض، يكون اليوم النجمي أقصر من اليوم الشمسي . في اللحظة 1، تكون الشمس ونجم بعيد معين فوق رأس الكوكب. في اللحظة 2، يكون الكوكب قد دار 360 درجة، ويصبح النجم البعيد فوق الرأس مرة أخرى، بينما لا تكون الشمس كذلك (1→2 = يوم نجمي واحد). ولا تعود الشمس فوق الرأس مرة أخرى إلا بعد فترة وجيزة، في اللحظة 3 (1→3 = يوم شمسي واحد).

تبلغ فترة دوران الأرض بالنسبة للإطار المرجعي السماوي الدولي ، والتي يُطلق عليها اسم اليوم النجمي من قِبل الخدمة الدولية لدوران الأرض وأنظمة المراجع (IERS)، 86,164.098,903,691 ثانية من التوقيت الشمسي المتوسط ​​(UT1) (23 ساعة و 56 دقيقة و 4.098,903,691  ثانية ، 0.997,269,663,237.16 يومًا شمسيًا متوسطًا ) . [ 35 ] [ n3 ] أما فترة دوران الأرض بالنسبة للاعتدال الربيعي المتوسط ​​المتقدم ، والذي يُطلق عليه اسم اليوم النجمي ، فتبلغ 86,164.090,530,832.88 ثانية من التوقيت الشمسي المتوسط ​​( UT1 ) ( 23 ساعة و 56 دقيقة و 4.090,530,832.88 ثانية ، 0.997,269,566,329.08 يومًا شمسيًا متوسطًا ) . [ 35 ] وبالتالي، فإن اليوم النجمي أقصر من اليوم الفلكي بحوالي 8.4 مللي ثانية . [ 37 ]  

يقل كل من اليوم النجمي واليوم الفلكي عن اليوم الشمسي المتوسط ​​بحوالي 3 دقائق و56 ثانية . ويعود ذلك إلى دوران الأرض دورة إضافية واحدة، بالنسبة للإطار المرجعي السماوي، أثناء دورانها حول الشمس (أي 366.24 دورة في السنة). يتوفر متوسط ​​اليوم الشمسي بالثواني في النظام الدولي للوحدات من قاعدة بيانات IERS للفترتين 1623-2005 [ 38 ] و1962-2005 [ 39 ] .

في الآونة الأخيرة (1999-2010) تراوح متوسط ​​الطول السنوي لليوم الشمسي المتوسط ​​الذي يزيد عن 86400 ثانية SI بين 0.25 مللي ثانية و 1 مللي ثانية ، وهو ما يجب إضافته إلى كل من الأيام النجمية والنجومية المذكورة أعلاه في التوقيت الشمسي المتوسط ​​للحصول على أطوالها بالثواني SI (انظر تقلبات طول اليوم ).

السرعة الزاوية

رسم بياني يوضح العلاقة بين خط العرض والسرعة المماسية. الخط المتقطع يمثل مثال مركز كينيدي للفضاء . الخط المنقط يمثل سرعة الطيران النموذجية للطائرات التجارية .

تبلغ السرعة الزاوية لدوران الأرض في الفضاء العطالي (7.292115 ± 0.000000 1 ) × 10⁻⁵ راديان لكل ثانية في النظام الدولي للوحدات  . [ 35 ] [ n 4 ] بضرب هذه القيمة في (180°/π راديان) × (86400 ثانية/يوم) نحصل على 360.985 °  /يوم ، مما يشير إلى أن الأرض تدور أكثر من 360 درجة بالنسبة للنجوم الثابتة في يوم شمسي واحد. تتطلب حركة الأرض على طول مدارها شبه الدائري أثناء دورانها مرة واحدة حول محورها أن تدور الأرض أكثر بقليل من مرة واحدة بالنسبة للنجوم الثابتة قبل أن تمر الشمس فوقها مرة أخرى، على الرغم من أنها تدور مرة واحدة فقط (360°) بالنسبة للشمس. [ n 5 ] بضرب القيمة بالراديان/ثانية في نصف قطر الأرض الاستوائي البالغ 6,378,137 مترًا ( إهليلج WGS84 ) (حيث تُحذف عوامل 2π راديان اللازمة لكليهما)، نحصل على سرعة استوائية تبلغ 465.10 مترًا في الثانية (1,674.4 كم/ساعة) . [ 40 ] تشير بعض المصادر إلى أن السرعة الاستوائية للأرض أقل قليلًا، أي 1,669.8 كم/ساعة . [ 41 ] وقد حُصل على هذه القيمة بقسمة محيط الأرض الاستوائي على 24 ساعة . مع ذلك، فإن استخدام اليوم الشمسي غير صحيح؛ إذ يجب أن يكون اليوم النجمي ، وبالتالي يجب أن تكون وحدة الزمن المقابلة ساعة نجمية. يتم تأكيد ذلك من خلال الضرب في عدد الأيام النجمية في يوم شمسي متوسط ​​واحد، 1.002 737 909 350 795 ، [ 35 ] مما ينتج عنه السرعة الاستوائية في الساعات الشمسية المتوسطة المذكورة أعلاه وهي 1674.4 كم/ساعة.   

يمكن تقريب السرعة المماسية لدوران الأرض عند نقطة ما على سطحها بضرب السرعة عند خط الاستواء في جيب تمام خط العرض. [ 42 ] على سبيل المثال، يقع مركز كينيدي للفضاء  عند خط عرض 28.59° شمالاً، ما ينتج عنه سرعة دوران مقدارها: cos(28.59°) × 1674.4 كم/ساعة = 1470.2  كم/ساعة. يُعد خط العرض أحد الاعتبارات المهمة عند اختيار مواقع الموانئ الفضائية .

بينما يُعدّ جبل إيفرست أعلى قمة على سطح الأرض (باللون الأخضر)، وجبل ماونا كيا أعلى قمة من قاعدته (باللون البرتقالي)، فإن جبل كايامبي هو الأبعد عن محور الأرض (باللون الوردي)، وجبل تشيمبورازو هو الأبعد عن مركز الأرض (باللون الأزرق). الرسم ليس على المقياس

قمة بركان كايامبي هي أبعد نقطة على سطح الأرض عن محورها؛ وبالتالي، تدور بأسرع ما يمكن أثناء دوران الأرض. [ 43 ]

يزعم مؤيدو نظرية الأرض المسطحة أحيانًا [ 44 ] أنه لو كانت الأرض كرة دوارة، لكانت السرعة المماسية عند خط الاستواء ستقذف الأجسام إلى الفضاء. مع ذلك، فإن قوة الجاذبية أقوى بنحو 290 مرة من قوة الطرد المركزي الناتجة عن الدوران. وقد تم التوصل إلى ذلك بمقارنة قانون نيوتن للجاذبية الكونية ومعادلة قوة الطرد المركزي. فجسم كتلته 1 كجم سيتعرض لقوة جاذبية تجذبه إلى الأرض تبلغ حوالي 9.8 نيوتن، بينما تبلغ قوة الطرد المركزي عند خط الاستواء حوالي 0.034 نيوتن.

التغييرات

يبلغ ميل محور الأرض حوالي 23.4 درجة. ويتذبذب بين 22.1 درجة و 24.5 درجة في دورة مدتها 41000 عام، وهو يتناقص حاليًا.

في محور الدوران

يتحرك محور دوران الأرض بالنسبة للنجوم الثابتة ( الفضاء العطالي )؛ ومكونات هذه الحركة هي التبادر والترنح . كما يتحرك أيضاً بالنسبة لقشرة الأرض؛ وهذا ما يسمى بالحركة القطبية .

التبادر هو دوران محور دوران الأرض، وينتج أساسًا عن عزم الدوران الخارجي الناتج عن جاذبية الشمس والقمر والأجرام الأخرى. أما الحركة القطبية فتعود أساسًا إلى تذبذب اللب الحر وتذبذب تشاندلر .

في السرعة الدورانية

التفاعلات المدية

على مدى ملايين السنين، تباطأ دوران الأرض بشكل ملحوظ بفعل التسارع المدّي الناتج عن التفاعلات الجاذبية مع القمر. وبالتالي، ينتقل الزخم الزاوي ببطء إلى القمر بمعدل يتناسب معر-6{\displaystyle r^{-6}}، أينر{\displaystyle r}يمثل نصف قطر مدار القمر. وقد أدت هذه العملية تدريجياً إلى زيادة طول اليوم إلى قيمته الحالية، مما أدى إلى تزامن القمر مع الأرض بفعل المد والجزر.

يُوثَّق هذا التباطؤ الدوراني التدريجي تجريبيًا من خلال تقديرات أطوال النهار المستمدة من رصد الرواسب الإيقاعية المدية والستروماتوليت ؛ وقد وجدت دراسة تجميعية لهذه القياسات [ 45 ] أن طول النهار قد ازداد باطراد من حوالي 21 ساعة قبل 600 مليون سنة [ 46 ] إلى قيمته الحالية البالغة 24 ساعة. ومن خلال عدّ الصفائح المجهرية التي تتشكل عند المد العالي، يمكن تقدير ترددات المد والجزر (وبالتالي أطوال النهار)، تمامًا كما هو الحال في عدّ حلقات الأشجار، على الرغم من أن هذه التقديرات قد تصبح أقل دقة مع تقدم العمر. [ 47 ]

الاستقرار الرنيني

تاريخ محاكاة لطول اليوم على الأرض، يصور حدث استقرار رنيني خلال حقبة ما قبل الكمبري [ 48 ]

إن معدل التباطؤ المدّي الحالي مرتفع بشكل غير طبيعي، مما يشير إلى أن سرعة دوران الأرض قد انخفضت بوتيرة أبطأ في الماضي. تُظهر البيانات التجريبية [ 45 ] ، بشكل مبدئي، زيادة حادة في التباطؤ الدوراني قبل حوالي 600 مليون سنة. تشير بعض النماذج إلى أن الأرض حافظت على طول نهار ثابت يبلغ 21 ساعة خلال معظم حقبة ما قبل الكمبري [ 46 ] . يتوافق طول النهار هذا مع فترة الرنين نصف اليومية للمد والجزر الجوي الناتج عن الحرارة ؛ عند هذا الطول، كان من الممكن أن يُلغى عزم الدوران القمري المُبطئ بفعل عزم دوران مُتسارع من المد والجزر الجوي، مما ينتج عنه انعدام صافي عزم الدوران وفترة دوران ثابتة. كان من الممكن أن ينهار هذا التأثير المُثبِّت بفعل تغير مفاجئ في درجة الحرارة العالمية. تدعم عمليات المحاكاة الحاسوبية الحديثة هذه الفرضية، وتشير إلى أن العصر الجليدي المارينوي أو الستورتي قد كسر هذا التكوين المستقر قبل حوالي 600 مليون سنة. تتفق نتائج المحاكاة بشكل وثيق مع بيانات الدوران القديمة الموجودة. [ 48 ]

الأحداث العالمية

انحراف طول النهار عن اليوم المعتمد على النظام الدولي للوحدات

تسببت بعض الأحداث الكبيرة الأخيرة، مثل زلزال المحيط الهندي عام 2004 ، في تقصير طول اليوم بمقدار 3 ميكروثانية نتيجةً لانخفاض عزم القصور الذاتي للأرض . [ 49 ] كما أن الارتداد ما بعد الجليدي ، المستمر منذ العصر الجليدي الأخير ، يُغير توزيع كتلة الأرض، مما يؤثر على عزم القصور الذاتي للأرض، وبالتالي، وفقًا لقانون حفظ الزخم الزاوي ، على فترة دوران الأرض. [ 50 ]

يمكن أن تتأثر مدة النهار أيضاً بالمنشآت التي صنعها الإنسان. فعلى سبيل المثال، حسب علماء ناسا أن المياه المخزنة في سد الخوانق الثلاثة قد زادت مدة النهار على الأرض بمقدار 0.06 ميكروثانية نتيجة لتغير الكتلة. [ 51 ]

قياس

تُجرى عملية الرصد الأساسية لدوران الأرض باستخدام تقنية التداخل الضوئي ذي الخط الأساسي الطويل جدًا، بالتنسيق مع نظام تحديد المواقع العالمي ( GPS) ، وقياس المسافة بالليزر عبر الأقمار الصناعية ، وتقنيات الجيوديسيا الفضائية الأخرى . يوفر هذا مرجعًا مطلقًا لتحديد التوقيت العالمي ، والترنح ، والتمايل . [ 52 ] يمكن تحديد القيمة المطلقة لدوران الأرض، بما في ذلك التوقيت العالمي ( UT1) والتمايل ، باستخدام عمليات الرصد الجيوديسية الفضائية، مثل تقنية التداخل الضوئي ذي الخط الأساسي الطويل جدًا وقياس المسافة بالليزر القمري ، بينما يمكن اشتقاق مشتقاتهما، المشار إليها بفائض طول اليوم ومعدلات التمايل، من عمليات الرصد عبر الأقمار الصناعية، مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، ونظام غلوناس (GLONASS ) ، ونظام غاليليو [ 53 ] وقياس المسافة بالليزر عبر الأقمار الصناعية الجيوديسية. [ 54 ]

ملاحظات قديمة

توجد سجلات رصد لكسوف الشمس وخسوف القمر من قِبل فلكيين بابليين وصينيين بدءًا من القرن الثامن قبل الميلاد، بالإضافة إلى رصد من العالم الإسلامي في العصور الوسطى [ 55 ] ومناطق أخرى. يمكن استخدام هذه الرصدات لتحديد التغيرات في دوران الأرض على مدى القرون السبعة والعشرين الماضية، نظرًا لأن طول اليوم يُعدّ عاملًا حاسمًا في حساب مكان وزمان حدوث الكسوف. يظهر تغير في طول اليوم بمقدار أجزاء من الثانية لكل قرن على شكل تغير في الساعات وآلاف الكيلومترات في رصد الكسوف. تتوافق البيانات القديمة مع قصر اليوم، مما يعني أن الأرض كانت تدور بسرعة أكبر في الماضي. [ 56 ] [ 57 ]

التقلب الدوري

يتباطأ دوران الأرض مؤقتًا كل 25-30 عامًا تقريبًا، بمقدار بضعة أجزاء من الألف من الثانية يوميًا، ويستمر هذا التباطؤ عادةً لخمس سنوات. وكان عام 2017 هو العام الرابع على التوالي الذي يشهد تباطؤًا في دوران الأرض. ولم يُحدد سبب هذا التذبذب حتى الآن. [ 58 ]

أصل

رسم فني للقرص الكوكبي الأولي

كان دوران الأرض الأصلي أثرًا متبقيًا من الزخم الزاوي الأصلي لسحابة الغبار والصخور والغاز التي تجمعت لتشكيل النظام الشمسي . تألفت هذه السحابة البدائية من الهيدروجين والهيليوم الناتجين عن الانفجار العظيم ، بالإضافة إلى عناصر أثقل قذفتها المستعرات العظمى . ولأن هذا الغبار بين النجوم غير متجانس ، فإن أي عدم تناسق أثناء التراكم بفعل الجاذبية أدى إلى الزخم الزاوي للكوكب الذي سيتشكل لاحقًا. [ 59 ]

مع ذلك، إذا صحت فرضية الاصطدام العملاق لأصل القمر، فإن معدل دوران الأرض البدائي هذا كان سيعود إلى وضعه الأصلي بفعل اصطدام ثيا  قبل 4.5 مليار سنة. وبغض النظر عن سرعة دوران الأرض وميل محورها قبل الاصطدام، لكانت الأرض قد شهدت يومًا استمر حوالي خمس ساعات بعد الاصطدام. [ 60 ] ثم أدت تأثيرات المد والجزر إلى إبطاء هذا المعدل إلى قيمته الحالية.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. انظر Fallexperimente zum Nachweis der Erdrotation (مقالة ويكيبيديا الألمانية).
  2. عندما يتجاوز انحراف مدار الأرض 0.047 ويكون الحضيض الشمسي في اعتدال أو انقلاب شمسي مناسب، فإن دورة واحدة ذات قمة واحدة فقط تعادل دورة أخرى ذات قمتين. [ 27 ]
  3. يستخدم آوكي، المصدر الأساسي لهذه الأرقام، مصطلح "ثواني التوقيت العالمي المنسق 1" بدلاً من "ثواني التوقيت الشمسي المتوسط". [ 36 ]
  4. يمكن إثبات أن الثواني في النظام الدولي للوحدات تنطبق على هذه القيمة من خلال اتباع الاقتباس في "الثوابت المفيدة" إلى إي. جروتن "معلمات ذات صلة مشتركة بعلم الفلك والجيوديسيا والديناميكا الأرضية" مؤرشفة في 21 مارس 2019 في Wayback Machine والتي تنص على أن الوحدات هي وحدات النظام الدولي للوحدات، باستثناء حالة غير ذات صلة بهذه القيمة.
  5. في علم الفلك، على عكس الهندسة، تعني 360 درجة العودة إلى نفس النقطة في مقياس زمني دوري، إما يوم شمسي متوسط ​​واحد أو يوم نجمي واحد للدوران حول محور الأرض، أو سنة نجمية واحدة أو سنة استوائية متوسطة واحدة أو حتى سنة جوليانية متوسطة واحدة تحتوي على 365.25 يومًا بالضبطللدوران حول الشمس.

مراجع

  1. مكارثي، دينيس د.؛ سيدلمان، كينيث ب. (18 سبتمبر 2009). الزمن: من دوران الأرض إلى الفيزياء الذرية . جون وايلي وأولاده . ص  232. ISBN 978-3-527-62795-0.
  2. ستيفنسون، ف. ريتشارد (2003). "الكسوفات التاريخية ودوران الأرض". علم الفلك والجيوفيزياء . 44 (2): 2.22 – 2.27 . Bibcode : 2003A & G....44b..22S . doi : 10.1046/j.1468-4004.2003.44222.x .
  3. ليا، روبرت (3 أغسطس 2022). "الأرض تسجل رقماً قياسياً لأقصر يوم" . Space.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 أغسطس 2022 .
  4. كنابتون، سارة (4 يناير 2021). "تدور الأرض الآن أسرع من أي وقت مضى خلال نصف القرن الماضي" . صحيفة ديلي تلغراف . تاريخ الاطلاع: 11 فبراير 2021 .
  5. باباس، ستيفاني (25 سبتمبر 2018). "العلماء يقولون إن البشر يساهمون في تذبذب الأرض" . مجلة ساينتفك أمريكان . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 أغسطس 2022 .
  6. بلوتارخوس الزائف، Placita philosophorum (874d-911c)، ستيفانوس صفحة 896، القسم أ، السطر 5 أفضل ما في الأمر هو أن تكون قادرًا على القيام بذلك, أفضل ما في الأمر هو أن هذا هو ما تحتاجه حقًا' ἴδιον αὐτῆς κέντρον؛ بلوتارخوس السيرة الذاتية، فيل، نوما، الفصل 11، القسم 1، السطر 5، أفضل ما في الأمر, أفضل ما في الأمر في الواقع، هناك الكثير من الأشياء التي يجب أن تعرفها، وهي أفضل ما في الأمر. أفضل ما في الأمر, أفضل ما في الأمر لا داعي للقلق بشأن هذا الأمر. أفضل ما في الأمر, أفضل ما في الأمر بالنسبة لك هذا هو السبب في أن هذا هو ما يحدث الآن. بورش، جورج بوسورث (1954). "الأرض المضادة". أوزوريس . 11 : 267-294 . دوى : 10.1086/368583 . جستور 301675 . S2CID 144330867 .  
  7. أرسطو. في السماوات . الكتاب الثاني، الفصل 13. 1.
  8. بطليموس. المجسطي، الكتاب الأول، الفصل الثامن .
  9. تشاتيرجي، بينا. "لمحة عن نظرية أريابهاتا حول دوران الأرض" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 13 ديسمبر 2013.
  10. كيم بلوفكر ( 2009). الرياضيات في الهند . مطبعة جامعة برينستون. ص 71. ISBN  978-0-691-12067-6.
  11. ^ أليساندرو بوساني (1973). “علم الكونيات والدين في الإسلام”. ساينتيا / ريفيستا دي ساينسا . 108 (67): 762.
  12. 1 2 يونغ، إم جيه إل، محرر. (2 نوفمبر 2006). الدين والتعلم والعلوم في العصر العباسي . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 413. ISBN  978-0-521-02887-5.
  13. نصر، سيد حسين (1 يناير 1993). مدخل إلى المذاهب الكونية الإسلامية . مطبعة جامعة ولاية نيويورك. ص 135. ISBN  978-1-4384-1419-5.
  14. راجب، سالي ب. (2007). "ابن سينا: أبو علي الحسين بن عبد الله بن سينا" . في توماس هوكي وآخرون (محررون). الموسوعة البيوغرافية لعلماء الفلك . نيويورك: سبرينغر. ص 570-572 . ISBN   978-0-387-31022-0.( نسخة PDF )
  15. راجب، ف. جميل (2001أ)، "طوسي وكوبرنيكوس: حركة الأرض في سياقها"، مجلة ساينس إن كونتكست ، 14 ( 1-2 ): 145-163 ، doi : 10.1017/s0269889701000060 ، S2CID 145372613 
  16. الأكويني، توماس. تعليق في كتب أرسطو دي كايلو وآخرون . ليب الثاني، الفصل الرابع عشر.ترجمة في: غرانت، إدوارد، محرر (1974). كتاب مصادر في العلوم في العصور الوسطى . مطبعة جامعة هارفارد . رمز Bibcode : 1974sbms.book.....G .الصفحات 496-500
  17. ^ بوريدان ، جون (1942). أسئلة رائعة عن الكتب الرائعة والعالم . ص 226 – 232. في جرانت 1974 ، الصفحات 500-503 
  18. أوريسمي، نيكول. كتاب السماء والعالم . ص 519 – 539. في جرانت 1974 ، الصفحات 503-510 
  19. كوبرنيكوس، نيكولاس. في دوران الأجرام السماوية . الكتاب الأول، الفصل 5-8.
  20. جيلبرت، ويليام (1893). دي ماغنيت، عن المغناطيس والأجسام المغناطيسية، وعن المغناطيس العظيم الأرض . نيويورك، جون وايلي وأولاده. ص 313-347 . 
  21. 1 2 راسل، جون ل. (1972). "النظام الكوبرنيكي في بريطانيا العظمى" . في ج. دوبرزيكي (محرر). استقبال نظرية كوبرنيكوس المركزية للشمس . سبرينغر. ISBN 978-90-277-0311-8.
  22. كتاب "المجستم الجديد" ، الفصل التاسع، كما ورد في: غراني، كريستوفر م. (2012). "126 حجة تتعلق بحركة الأرض. جيوفاني باتيستا ريتشيولي في كتابه "المجستم الجديد" الصادر عام 1651". مجلة تاريخ علم الفلك ، المجلد 43، الصفحات 215-226. arXiv : 1103.2057 .
  23. نيوتن، إسحاق (1846). مبادئ نيوتن . ترجمة أ. موت. نيويورك: نشر دانيال أدي. ص 412. 
  24. شانك، ج. ب. (2008). حروب نيوتن وبداية عصر التنوير الفرنسي . مطبعة جامعة شيكاغو . ص 324، 355. ISBN  978-0-226-74947-1.
  25. "دوران النجوم" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 أغسطس 2015 .
  26. "ما هو وقت الظهيرة الشمسية؟" . timeanddate.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 يوليو 2022 .
  27. 1 2 جان ميوس؛ جي إم إيه دانبي (يناير 1997). لقيمات علم الفلك الرياضي . ويلمان بيل. ص 345 – 346. ISBN  978-0-943396-51-4.
  28. ريتشي، بييرباولو. "pierpaoloricci.it/dati/giornosolare vero VERSIONE EN" . Pierpaoloricci.it . تم الاسترجاع في 22 سبتمبر 2018 .
  29. "الخدمة الدولية لدوران الأرض وأنظمة الإسناد: معايير توجيه الأرض: Eop (IERS) 05 C04" . مراكز مرصد باريس IERS . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 سبتمبر 2018 .
  30. "الأساس الفيزيائي للثواني الكبيسة" (ملف PDF) . Iopscience.iop.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 سبتمبر 2018 .
  31. الثواني الكبيسة. مؤرشفة في 12 مارس 2015 على موقع Wayback Machine.
  32. "توقع التوقيت العالمي وتغيرات زمن اليوم" (ملف PDF) . Ien.it. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 28 فبراير 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 سبتمبر 2018 .
  33. R. Hide et al., "Topographic core-mantle coupling and flutuations in the Earth's rotation" 1993.
  34. الثواني الكبيسة، من إعداد المرصد البحري الأمريكي، مؤرشف في 12 مارس 2015 على موقع Wayback Machine
  35. 1 2 3 4 "ثوابت مفيدة" . مراكز مرصد باريس IERS . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 سبتمبر 2018 .
  36. آوكي وآخرون ، " التعريف الجديد للتوقيت العالمي علم الفلك والفيزياء الفلكية 105 (1982) 359-361.
  37. سيدلمان، ب. كينيث، محرر. (1992). ملحق توضيحي للتقويم الفلكي . ميل فالي، كاليفورنيا: منشورات جامعة العلوم. ص 48. ISBN  978-0-935702-68-2.
  38. تجاوزت مدة اليوم وفقًا لـ IERS إلى 86400 ثانية ... منذ عام 1623. مؤرشف في 3 أكتوبر 2008 في Wayback Machine . الرسم البياني في النهاية.
  39. "زيادة تصل إلى 86400 ثانية من مدة اليوم، 1995-1997" . 13 أغسطس 2007. مؤرشف من الأصل في 13 أغسطس 2007. تم الاطلاع عليه في 22 سبتمبر 2018 .
  40. آرثر ن. كوكس، محرر، الكميات الفيزيائية الفلكية لألين، ص 244.
  41. مايكل إي. باكيتش، دليل كامبريدج للكواكب ، ص 50.
  42. باتروورث وبالمر. "سرعة دوران الأرض" . اسأل عالم فيزياء فلكية . مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا. مؤرشف من الأصل في 8 يناير 2019. تم الاطلاع عليه في 3 فبراير 2019 .
  43. كلينك، بول. "المسافة إلى مركز الأرض" . ساميت بوست . تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 يوليو 2018 .
  44. "برهان رياضي على أن الأرض مسطحة" . Medium.com . 1 أبريل 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 يوليو 2026 .
  45. 1 2 ويليامز، جورج إي. (1 فبراير 2000). "القيود الجيولوجية على تاريخ ما قبل الكمبري لدوران الأرض ومدار القمر" . مراجعات الجيوفيزياء . 38 (1): 37-59 . Bibcode : 2000RvGeo..38...37W . doi : 10.1029/1999RG900016 . ISSN 1944-9208 . S2CID 51948507 .  
  46. 1 2 زانلي، ك.؛ ووكر، ج. س. (1 يناير 1987). "طول نهار ثابت خلال حقبة ما قبل الكمبري؟". أبحاث ما قبل الكمبري . 37 (2): 95-105 . Bibcode : 1987PreR...37...95Z . CiteSeerX 10.1.1.1020.8947 . doi : 10.1016/0301-9268(87)90073-8 . ISSN 0301-9268 . PMID 11542096 .   
  47. سكراتون، سي تي (1 يناير 1978). "خصائص النمو الدوري في الكائنات الأحفورية وطول اليوم والشهر". في: بروش، البروفيسور الدكتور بيتر؛ سوندرمان، البروفيسور الدكتور يورغن (محرران). الاحتكاك المدّي ودوران الأرض . سبرينغر برلين هايدلبرغ. ص 154-196 . doi : 10.1007/978-3-642-67097-8_12 . ISBN  978-3-540-09046-5.
  48. 1 2 بارتليت، بنجامين سي؛ ستيفنسون، ديفيد جيه . (1 يناير 2016). "تحليل طول اليوم المستقر بالرنين في حقبة ما قبل الكمبري". رسائل البحوث الجيوفيزيائية . 43 (11): 5716-5724 . arXiv : 1502.01421 . Bibcode : 2016GeoRL..43.5716B . doi : 10.1002/2016GL068912 . ISSN 1944-8007 . S2CID 36308735 .  
  49. زلزال سومطرة يسرع دوران الأرض ، مجلة نيتشر ، 30 ديسمبر 2004.
  50. وو، ب.؛ بيلتييه، دبليو آر (1984). "انحسار الجليد في العصر البليستوسيني ودوران الأرض: تحليل جديد" . المجلة الجيوفيزيائية للجمعية الفلكية الملكية . 76 (3): 753-792 . Bibcode : 1984GeoJ...76..753W . doi : 10.1111/j.1365-246X.1984.tb01920.x .
  51. "وكالة ناسا تُفصّل آثار الزلزال على الأرض" . ناسا/مختبر الدفع النفاث . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 مارس 2019 .
  52. "المراقبة الدائمة" . مراكز مرصد باريس IERS . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 سبتمبر 2018 .
  53. ^ زاجديل، رادوسلاف؛ سوسنيكا، كرزيستوف؛ بيري، جرزيجورز؛ داش، رولف. برانج ، لارس (يوليو 2020). "أخطاء منهجية خاصة بالنظام في معلمات دوران الأرض المستمدة من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وGLONASS وGalileo" . حلول نظام تحديد المواقع . 24 (3): 74. بيب كود : 2020GPSS...24...74Z . دوى : 10.1007/s10291-020-00989-ث .
  54. سوسنيكا، ك.؛ بوري، ج.؛ زايدل، ر. (16 مارس 2018). "مساهمة كوكبة أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية المتعددة في الإطار المرجعي الأرضي المشتق من قياسات طول سطح البحر". رسائل البحوث الجيوفيزيائية . 45 (5): 2339-2348 . Bibcode : 2018GeoRL..45.2339S . doi : 10.1002/2017GL076850 . S2CID 134160047 . 
  55. "كسوف الشمس والقمر المسجل في سجلات العصور الوسطى العربية". الكسوف التاريخي ودوران الأرض . مطبعة جامعة كامبريدج. 1997. ص 431-455 . doi : 10.1017/cbo9780511525186.012 . ISBN  978-0-521-46194-8.
  56. سيد بيركنز (6 ديسمبر 2016). "تُظهر الكسوفات القديمة تباطؤ دوران الأرض" . مجلة ساينس . doi : 10.1126/science.aal0469 .
  57. إف آر ستيفنسون؛ إل في موريسون؛ سي واي هوهونكيرك (7 ديسمبر 2016). "قياس دوران الأرض: من 720 قبل الميلاد إلى 2015 ميلادي" . وقائع الجمعية الملكية أ . 472 (2196) 20160404. رمز Bibcode : 2016RSPSA.47260404S . doi : 10.1098/rspa.2016.0404 . PMC 5247521. PMID 28119545 .  
  58. نايس، تريفور. "دوران الأرض يتباطأ بشكل غامض: خبراء يتوقعون زيادة في الزلازل عام 2018" . فوربس . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 أكتوبر 2019 .
  59. "لماذا تدور الكواكب؟" . اسأل عالم فلك .
  60. ستيفنسون، دي جيه (1987). "أصل القمر - فرضية الاصطدام". المراجعة السنوية لعلوم الأرض والكواكب . 15 (1): 271-315 . Bibcode : 1987AREPS..15..271S . doi : 10.1146/annurev.ea.15.050187.001415 .