
Bland journalister finns en tumregel som heter “Betteridges lag”, som säger att om en rubrik avslutas med ett frågetecken så är svaret nej. Ännu mycket tidigare svängde sig partikelfysiker med samma idé, men under beteckningen “Hinchliffes regel” (se även denna klassiska paradox). Med tanke på det kan du ju gissa att vulkanerna på Mars inte var vad som bestämde planetens rotationsriktning. Men det finns flera coola och intressanta sidor av den här frågan, så jag hoppas att du vill läsa vidare och se vad det handlar om.
Det här resonemanget har gnagt i bakhuvudet på mig sedan jag läste en väldigt rolig och intressant bok om vulkaner. Till slut kände jag mig tvungen att blogga om det.
TL;DR
Mars har tippat på grund av att vulkanerna ändrade på planetens form, men rotationsaxeln behöll sin riktning i rymden. Läs vidare om du vill ha detaljerna!
Vad är grejen alltså, med Mars och vulkanerna
Alla planeter snurrar. De kretsar i sina banor kring solen, och roterar samtidigt kring sin egen axel. Det finns en del ojämnheter i den här rörelsen, som gör rörelsen lite sned. Antingen har planeterna varit skeva från början, kanske genom att de bildades av mindre delar som slogs ihop lite på snedden, av en slump. Eller också har något hänt senare. Frågan är, kan en planet tippa över på sidan genom att den ändrar form? Till exempel genom att vulkaner väller upp?
Det tycks vara så boken Super Volcanoes beskriver det.
”Planets tend to have an axial tilt. /… förklaring av hur andra planeter snurrar…/ But in all these cases, giant meteorites are the instigators of the fall. Mars tipped itself over by creating a volcntic barbarian so huge that it redistributed its own mass.”
Mars har en magnifik högplatå med tre vulkaner på rad. Området kallas för Tharsis, och ligger precis vid ekvatorn – det vill säga mitt emellan polerna. Det intressanta är att området låg på en helt annan breddgrad innan den började bukta ut och höja sig över resten av planetens yta. Det måste väl betyda att planeten har tippat och börjat rotera i en annan riktning? Kring en annan axel?
Nja, egentligen inte. Mars kan ha tippat så att polerna nu ligger på andra ställen på ytan (vilket betyder att andra delar av ytan är vid ekvatorn), samtidigt som rotationsaxeln fortfarande har exakt samma riktning som innan i förhållande till omloppsbanan kring solen. Axeln pekar åt samma håll på himlen som innan. Det här kanske verkar lite motsägelsefullt, men jag hoppas att jag ska kunna övertyga dig, kära läsare. Här nedan kommer jag att ägna en hel del utrymme åt att dels förklara vad jag menar, och dels ge dig argument för att det borde vara på just det här sättet.
Snurret finns alltid kvar
Har du lekt med ett gyroskop någon gång? Du vet, en sådan där sak med ett hjul som kan snurras igång och som snurrar med låg friktion på ett lager. Gyroskopet gör motstånd mot att vändas. Om du försöker vicka på det vränger det iväg åt ett annat håll. Det finns ett vanligt experiment med att sitta på en snurrstol och hålla i ett cykelhjul med handtag. När hjulet vickas hit och dit börjar stolen vridas runt.
På lekplatser finns ibland en sorts snurrpinnar, där det går att stå på en liten platform och sätta snurr på den runt en stolpe i mitten. Sträcker man ut en arm eller ben så går varje varv lite långsamare, och håller man sig nära stolpen går varje varv jättefort. I fysikböcker brukar exemplet som beskriver den här effekten nästan alltid vara en konståkare, som snurrar fortare genom att dra in armarna.
Det är sällan saker i vår vardag snurrar så kraftigt att de här effekterna spelar någon större roll. Det finns alltid friktion och andra yttre störningar som ställer till det också. Därför har de flesta inte någon riktigt bra känsla för det här med att snurrande saker beter sig lite speciellt, och att det hänger ihop med väldigt grundläggande fysik.
Fysiker har ett namn för det totala snurret hos en kropp eller ett system av kroppar: rörelsemängdsmoment (eller ibland impulsmoment). Den djupa insikten är att rörelsemängdsmomentet alltid är bevarat. Det kan spädas ut eller läcka iväg till andra delar av systemet, men det finns kvar ändå. Om en havsström förstärks eller försvagas på jorden påverkar det dygnets längd – havsströmmen plus resten av jordytan är ett enda integrerat system, och om den ena delen plötsligt snurrar lite mer måste den andra snurra lite mindre.
Det här är faktiskt ett av de mest grundläggande sambanden i fysiken. Symmetrier hänger ihop med det som kallas bevarandelagar. Det går att visa (med Noethers sats att om rymden och dess fysik är likadan i alla riktningar så måste rörelsemängsmomentet vara bevarat.
Saker som kretsar långt ifrån varandra har trögare snurr än sådana som är närmare varandra, och då tar varje varv relativt lång tid. Ju närmare de kommer desto fortare måste de snurra kring varandra för att ha kvar samma rörelsemängdsmoment. Håll kvar det i minnet när vi går över till nästa avsnitt.
Varför himlakroppar snurrar
Så varför snurrar nästan allt till att börja med? Det är för att varje snedhet när saker rör sig i förhållande till varandra innebär att det finns ett rörelsemängsmoment, som kan bli till ett snurr.
Börja med att tänka på en vanlig bilväg. Om två bilar kör i varsin riktning på en väg kommer de (förhoppningsvis) inte exakt rakt emot varandra, utan bara nästan. Vid någon punkt passerar de varandra och fortsätter i varsin riktning. Tittar du på de här bilarna just när de passerar varandra så ser du tydligt att de rör sig som om de snurrade runt en punkt mitt emellan dem.
Hade bilarna befunnit sig i fria rymden hade deras gravitation dragit i varandra, och bådas riktning hade böjts av litegrann innan de for iväg ifrån varandra igen. Bilarna som kör förbi varandra i rymden kommer inte att börja kretsa i en bunden bana kring varandra, eftersom deras rörelsemängd och energi måste bevaras. De har ändå ett gemensamt snurr som kommer sig av att de båda dansar runt sin gemensamma tyngdpunkt.
Tänk dig i stället för de två bilarna massor av partiklar och gruskorn som dras mot varandra av gravitationen. Kollisioner får vissa av dem att förlora energi, kanske splittras de i flera delar. Somliga hettas upp av friktionen mot varandra, och strålar bort energi i form av värme. På så vis kan de bromsas och lugna ner sig och börja snurra tillsammans i stället för att fara förbi och fortsätta i varsin riktning. Kanske börjar de fastna i varandra, och bildar till slut ett snurrande klot. Det här är en förenklad bild av hur stjärnor och andra himlakroppar bildas. Varje liten inledande skevhet i rörelsen kommer att förstärkas när partiklarna drar sig närmare varandra, eftersom det totala snurret måste bevaras – precis som när konståkaren drar in armarna och gör fler varv på kortare tid.
Men om det inte finns något rörelsemängsmoment alls då, vad händer då? Om två kroppar inte har något gemensamt rörelsemängdsmoment betyder det att de antingen rör sig parallellt och aldrig möts, eller att de är på kollisionskurs. Har de massa och drar i varandra med sin ömsesidiga gravitation kan de falla exakt rakt mot varandra och kollidera som om de rörde sig på en räls. Det finns så många fler sätt som två kroppar kan röra sig lite snett mot varandra än att de rör sig på en sådan exakt bana, så den helt raka kollisionen är helt enkelt ett väldigt ovanligt specialfall. Nästan alltid finns det ett rörelsemängsmoment.
Märkliga egenheter i snurret
Det är hyggligt lätt att föreställa sig hur ett slätt klot roterar kring sin egen axel. Vi kan tänka oss rotationsaxeln som en pinne rakt genom klotet, och där pinnen sticker ut är nord- respektive sydpolen för det här klotet. Men det blir lite krångligare när det snurande föremålet har en annorlunda form. Eller när det ändrar form. Det är sådant som spelar in när en gymnast byter riktning och börjar snurra på längden mitt i en volt, eller när en katt vänder sig i luften.
Om en oregelbunden klump snurrar på snedden kommer den att vicka och vränga sig, och inte ha stadiga poler. Det är inte samma punkt på ytan som är i norr och söder hela tiden.
Här tänker jag fuska förbi lite detaljer (inte minst för att jag skulle behöva tänka väldigt mycket mer för att förstå alla detaljer och vara säker på att jag förklarar dem rätt). I stället hänvisar jag den intresserade läsaren vidare, till exempel till den här videon med många coola och illustrativa klipp.
Poängen jag vill ha fram här är att även en kropp som kränger och beter sig har ett stadigt rörelsemängdsmoment. Det totala snurret är hela tiden lika stort och riktad åt samma håll. Om det ska kunna ändras måste det finnas en inverkan från någon yttre kraft.
En yttre kraft, i form av gravitationen mellan jorden och solen, får jordens rotationsaxel att vrida sig runt. Vi har en polstjärna, som (nästan) tycks stå still på himlen medan resten av stjärnorna vrider sig runt den. Det beror på att jordens rotationsaxel för närvarande pekar nästan rakt på just den stjärnan. Men eftersom axeln vrider sig, med ett varv på cirka 26000 år, så pekar den inte alltid mot samma stjärna. Däremot är jordaxelns lutning konstant (nästan, det finns alltid komplikationer, men dem ignorerar jag här). Medan den vrider sig runt är den alltid ungefär 23,4 grader från riktningen som är vinkelrät mot omloppsbanan. Det är lite krångligt att beskriva i ord, så här kommer en bild också:

Det finns lite fler finurligheter, men den viktiga poängen just här är att lutningen inte ändrar sig. För att en planets lutning ska ändras behöver den utväxla rörelsemängsmoment med något annat utanför, eller knoppa av en del av sig själv som får ge sig iväg med en del av rörelsemängdsmomentet.
Vad som hände med Mars var ändå coolt
Det jag blir riktigt imponerad av är att det går att se att Mars hade sin midja på ett annat ställe tidigare. Den del av Mars yta som nu är Tharsisplatån låg tidigare mycket lägre – det går att se på gamla “kustlinjer” och strömfåror. En lång tid av kraftiga utbrott bucklade till hela ytan. Det som hände då var att planetens form inte längre passade ihop med rotationen.
Originalkällan som är citerad i vulkanboken är artikeln “Late Tharsis formation and implications for early Mars”. Den är tyvärr bakom betalvägg, men här finns ett nyhetsinlägg från universitetet i Arizona. Bilden i början av inlägget är knyckt därifrån.
En tredimensionell kropp har en tendens att vilja rotera på det sätt som ger den störst “tröghetsmoment” som det heter, vilket betyder att den kretsar på det stabilaste sättet som sprider ut dess delar så långt som möjligt i snurret. När Mars plötsligt hade extra massa någon stans långt norr om ekvatorn funkade det inte länge. Hela planeten började vrida sig i förhållande till rotationsaxeln, tills Tharsis låg vid ekvatorn och kunde följa med hela vägen runt i svängen när Mars roterar.
Sådana här justeringar gör jordytan också. Efter den stora jordbävningen som orsakade tsunamikatastrofen i Japan 2011 läste jag på flera ställen att jordbävningen hade fått jordens axel att skifta. Det stämmer inte, den pekar fortfarande mot polstjärnan. Men jordytan flyttade sig en bit (ungefär 17 centimeter).
Ett annat sätt att säga samma sak är att jordens symmetriaxel försköts litegrann. För att göra det riktigt roligt är jordens symmetriaxel heller inte helt parallell med rotationsaxeln, de lär skilja sig flera meter (vid polerna, förmodar jag). Det får jorden att kränga lite, men det är så lite att det inte märks utan väldigt noggranna mätningar.
Det var alltså en sådan förskjutning men på enormt mycket större skala som skedde på Mars. Hela ytan skiftade ungefär 20 grader. Det är som om Finlands nordligaste punkt plötsligt skulle vara på Nordpolen. Ganska drastiskt. Det är imponerande nog! Även om det inte rubbade rotationsaxelns lutning.