НАБЛЮДЕНИЕ ЯВЛЕНИЙ, СВЯЗАННЫХ С НЕРАВНОМЕРНОСТЬЮ ВРАЩЕНИЯ

НАБЛЮДЕНИЕ ЯВЛЕНИЙ, СВЯЗАННЫХ С НЕРАВНОМЕРНОСТЬЮ
ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ
Баранова Я Ю., Андреева Н В.
БГТУ имени В.Г. Шухова
Белгород, Россия
THE OBSERVATION OF THE PHENOMENAS IN ACCORDANCE WITH
UNEVENNESS OF THE EARTH’S ROTATION
Baranova Ya.Yu., Andreeva N.V.
BSTU behalf V.G. Shukhov
Belgorod, Russia
Вращение Земли вокруг своей оси испокон веков используется человеком для
измерения времени; в астрономии и геодезии это незаменимая основа для введения
различных систем координат. Однако вращение Земли недостаточно стабильно: меняется
его скорость, движутся географические полюса, происходят нутации (колебания) земной
оси. Причинами таких нестабильностей служат как гравитационные воздействия
окружающих небесных тел, так и процессы, протекающие на Земле. Будучи отражением
этих процессов, нестабильности вращения нашей планеты несут ценную информацию об
особенностях строения и физических свойствах земных недр [7].
О вращении Земли (ВЗ) известно с тех пор, как Коперник предложил
гелиоцентрическую систему, принципиально отличающуюся от системы мира Птолемея.
Однако ещё в 123 г. до н.э. Гиппарх обнаружил, что земная ось перемещается вокруг оси
эклиптики, обеспечивая прецессию. Сомнения в постоянстве скорости суточного
вращения Земли возникли после открытия Э.Галлеем в 1695 г. векового ускорения
движения Луны, а мысль о вековом замедлении вращения Земли под действием
приливного трения впервые была высказана И.Кантом в 1755 г. В 1737 г. Дж. Брадлей
открыл явление нутации - колебания оси ВЗ, которые накладываются на прецессионное
движение. В 1758 г. Л. Эйлер разработал теорию вращения абсолютно твердой Земли
вокруг оси главного, полярного момента инерции С, при условии отсутствия моментов
внешних сил. Частота эйлеровой прецессии ωE = (C - A)×ro/A, где А – экваториальный
момент инерции, rо - имеет размерность (сутки) - 1. Период прецессии Эйлера составляет
305 суток. В действительности, Земля не абсолютно твердое, а упругое, деформируемое
тело и поэтому в спектре вращения Земли эйлеровой прецессии не наблюдается. В 1892 г.
С. Чандлер обнаружил в спектре движения полюса вращения Земли вокруг оси инерции
период, равный примерно 428 суток (≈ 14 месяцев). Это 14-месячное колебание названо в
его честь чандлеровским периодом, а сами колебания чандлеровскими. Американский
астроном С. Ньюком показал, что чандлеровский период, это тот же период Эйлера для
упругой Земли [5].
В настоящее время хорошо известно, что чандлеровский период не остается
постоянным во времени - он флуктуирует, отклоняясь от среднего не более ± 4 %. Повидимому, это вызвано вариацией параметров Земли: жесткости, степени сжатия и т.п. [3].
Изменения в скорости вращения Земли по своему характеру можно подразделить
на вековые, периодические и нерегулярные [3].
Вековое замедление скорости вращения Земли вызвано тормозящим действием
приливов и отливов в морях, в атмосфере и даже в твердой земной коре, ибо Землю нельзя
считать абсолютно твердым телом - она обладает упругостью. Энергия движения воды
мирового океана во время приливов и отливов расходуется на трение о дно и берега
континентов. Это трение отчасти тормозит вращение Земли. Скорость вращения Земли
вокруг своей оси больше скорости вращения Луны вокруг Земли, а раз «отстает» Луна, то
и приливная волна тоже отстает [3]. Регулярные наблюдения за неравномерностью
вращения Земли начались в середине прошлого столетия, после того как стали
использоваться атомные часы. Эти наблюдения позволяли регистрировать колебания
скорости вращения Земли Ω(t) с периодом более одного месяца с достаточно хорошей
точностью. На фоне многолетних изменений были выявлены сезонные изменения угловой
скорости вращения Ω(t) имеющие максимумы в январе и июле, а минимумы – в апреле и
ноябре [7].
В 80е годы прошлого века были введены новые методы измерений с
использованием радиоинтерферометров со сверхдлинными базами (VLBI), систем
глобального позиционирования (GPS), лазерной локации спутников (SLR) и Луны (LLR),
а также наблюдения за внегалактическими радиоисточниками и искусственными
спутниками Земли. Благодаря этим методам разрешение и точность определения
нестабильности вращения повысилась на два порядка, что позволило выделять
короткопериодные колебания скорости вращения Земли с периодом до суток [5].
В 2011 г. В. К. Милюковым, В. К. Кравчук, А. П. Мироновым, Л. А. Латыниной
было проведено исследование деформационных процессов в литосфере, связанных с
неравномерностью вращения Земли. Целью этой работы было исследование взаимосвязи
локальных деформационных полей, как проявления деформационных процессов
глобального характера, с вариациями скорости вращения Земли на коротких (дни, недели)
интервалах времени [6].
По рядам наблюдений деформационных станций Баксан (Северный Кавказ),
Протвино (Среднерусская равнина) и данным о неравномерности вращения Земли (LOD)
был исследован характер взаимной связи деформационных процессов в литосфере и
глобальной геодинамики Земли на коротких временных интервалах (дни, недели). На
статистически значимом уровне (95%"ная достоверность) доказано существование
взаимосвязанных возмущений деформационных полей на крупных пространственных
масштабах, порядка размеров литосферных плит (в данном случае Евразийской плиты),
т.е.
существование
глобальной
компоненты
деформационного
поля
Земли,
с
характерными временами проявления до 3–4 недель. На том же уровне достоверности
анализ выявил взаимную связь между локальными деформационными полями и
вариациями скорости вращения Земли. Теоретически показано, что ротационный эффект
литосферной нагрузки, связанный с вариациями LOD, не может вызвать наблюдаемые
коррелированные изменения деформационного поля, это эффект второго порядка
малости. Глобальным механизмом, обуславливающим как глобальную деформационную
компоненту, так и взаимную связь деформационных полей и LOD в приливном
низкочастотном диапазоне, является мощная и регулярная долгопериодическая приливная
нагрузка (группы волн Mf и Mtm), оказывающая прямое воздействие на литосферу и LOD.
Глобальный
механизм,
вызывающий
корреляцию
рассматриваемых процессов
в
неприливном диапазоне, требует дальнейшего изучения [6].
Вращение Земли монотонно замедляется. Этот факт никто не подвергает
сомнению. Известно, что в настоящее время Луна, за счет диссипации энергии вращения
океаническими приливами, удаляется от Земли со скоростью 3.3 см/год. Если проследить
эволюцию системы Земля - Луна во времени назад, то оказывается, что в прошлом Луна
была гораздо ближе к Земле, чем сейчас. При этом, очевидно, предполагается, что и
скорость замедления Земли, и скорость удаления Луны, были такими же, как в настоящее
время. Линейная экстраполяция полученных оценок в прошлое дает изменение радиуса
орбиты Луны L за время 4.5×109 лет, равное 1.5×105 км, что составляет почти половину
современного значения величины L. Тот факт, что амплитуда прилива, а, следовательно, и
скорость замедления вращения и скорость удаления Луны пропорциональны 1/L3,
значительно увеличивает скорость замедления [5].
Так, например, согласно модели Гестенкорна (Стейси, 1972), когда Земля и Луна
располагались очень близко друг от друга, на расстояниях, несколько больших предела
Роша, орбита Луны была почти полярной. Это происходило примерно 1.78×109 лет тому
назад. До этого времени Луна должна была двигаться по орбите в направлении
противоположном нынешнему. Надо сказать, что перенос в прошлое современной
скорости удаления Луны приводит к парадоксальной ситуации (Кузнецов, 1990). Выходом
из неё многие считали отказ от такого переноса. В оправдание приводились аргументы
относительно того, что современные океаны возникли сравнительно недавно и таких
приливов, тормозящих Луну, раньше не было. По-видимому, в этом есть смысл, так как
этот тезис не противоречит нашей модели горячей Земли. Скорее всего, Луна всегда
находилась на расстояниях от Земли, если и меньших, чем современное, то не настолько,
чтобы “заставлять” её вращаться в противоположную сторону и приближаться к Земле на
опасное расстояние порядка предела Роша. Проблема практически снимается, если учесть,
что на Земле в более ранние эпохи не было современных океанов, а, следовательно, не
было и такого приливного торможения Луны, как сейчас [5].
Периодические колебания скорости вращения Земли зависят от сезонного
перераспределения масс воздуха в атмосфере, скорости и направления ветров, отложения
снега и льда на континентах и других метеорологических явлений [3]. Формально
сезонные колебания обычно описываются суммой годовой и полугодовой гармоник,
амплитуды и фазы которых меняются от года к году, обнаруживая интересные
закономерности. Амплитуда годовой гармоники имеет характерное время изменения
около шести, а полугодовой - около двух лет. Средняя величина амплитуд годовой и
полугодовой гармоник равна соответственно 0.00035 и 0.00032 с [5].
Из астрономических наблюдений известно, что в настоящее время ВЗ замедляется
за счет приливного трения, увеличивая длину суток примерно на 1.5 мс за 100 лет.
Известно, что примерно две тысячи лет тому назад скорость замедления 1/ω×dω/dt была
примерно в два раза выше - около 3 мс за 100 лет, или = 4×10-22 рад/с2. Однако такое
замедление ВЗ представляет собой тренд, на фоне которого происходят как сезонные
колебания скорости ВЗ порядка Δω/ω ≤ 10-8, так и долгопериодные изменения того же
порядка. Скорость вращения Земли наименьшая в апреле и ноябре, а наибольшая - в конце
января и июле. Это можно проследить на примере времени пребывания светила над
горизонтом и под горизонтом в разные дни, недели, месяцы года. Время пребывания
Солнца над горизонтом для города Ашхабада на 20.09.14 равно 12ч 14м 37с , 26.09.14 12ч 00м03с , 20.1214 - 9ч 31м59с . Таким образом, неравномерное вращение влияет на
продолжительность светового дня. Принято считать, что главная причина сезонной
неравномерности вращения Земли, это атмосферная циркуляция. Атмосфера движется
относительно земной поверхности в низких широтах с востока на запад - дуют западные
ветры, а в умеренных и высоких широтах - с запада на восток. Момент импульса
восточных ветров - отрицателен, а западных - положителен. Сезонная неравномерность
состоит в перераспределении моментов импульса, причем, момент импульса восточных
ветров в несколько раз меньше момента импульса западных. Можно выделить другие
причины сезонной неравномерности вращения, например, астрономическую, когда
учитывается перекачка импульса из вращательного движения в поступательное и
наоборот. Или изменение скорости вращения за счет сезонной зависимости величины
океанических приливов, возмущающих форму Земли наиболее сильно и т.п. (Кузнецов,
1990 г.). Хорошо известна взаимосвязь скорости ВЗ с явлениями Эль-Ниньо. Это явление
связано с переменой направления течений в Тихом океане. Наиболее сильное возмущение
величины ω за счет этого явления наблюдалось на рубеже 1982-83 г.г. Поиски корреляции
долгопериодных вариаций скорости ВЗ с различными геофизическими явлениями
постоянно занимали особое место в работах по физике Земли. В частности, речь шла,
например, о связи Δω/ω с сейсмичностью Земли. Считалось, что такая связь
распространяется на глубокофокусные землетрясения, а неглубокие землетрясения со
скоростью вращения не связаны. Многие пытались найти взаимосвязи Δω/ω с вариацией
магнитного поля Земли, с амплитудой и длительностью чандлеровского периода, с
вулканизмом и т.д. Несколько лет тому назад считалось, что такие корреляции вполне
достоверны. Однако исследования показали наши, что значимых корреляций в
действительности нет. Все геофизические параметры не имеют простой прямой связи с
вариацией величины скорости вращения, хотя утверждать обратное, что на них не
оказывает никакого влияния вращение Земли, тоже нельзя [5]. Вращение Земли – это
смена дня и ночи, видимое суточное движение небесных тел, а также некоторые явления,
происходящие на поверхности Земли: поворот плоскости качаний груза, подвешенного на
нити (маятник Фуко), отклонение падающих тел к востоку и др. Вследствие ВЗ на тела,
движущиеся по её поверхности, действует Кориолиса сила; её влияние проявляется в
подмывании правых берегов рек в Северном полушарии Земли и левых — в Южном
(закон Бэра) и в некоторых особенностях циркуляции атмосферы. Центробежной силой,
порождаемой ВЗ, частично объясняются и
различия в ускорении силы тяжести на
экваторе и полюсах Земли. Для исследования закономерностей ВЗ вводят (рис. 1) две
системы осей координат с общим началом в центре масс Земли О: одну - движущуюся
вместе с Землёй (X1Y1Z1), а другую - неподвижную (XYZ). На рисунке 1 изображена
системы координат и схема движения оси вращения Земли в пространстве зрения земного
наблюдателя. Полюс мира Р движется ( прецессирует) вокруг полюса эклиптики П с
периодом 26000 (25700) лет и кроме того совершает небольшие нутационные движения с
периодами от 18.6 года до 4 суток. Плоскость XOY неподвижной системы - совмещают с
плоскостью эклиптики в начальную эпоху (некоторый момент, принятый за нулевой), а
ось ОХ - направляют в точку весеннего равноденствия этой эпохи. В качестве осей X1Y1Z1
движущейся системы удобно брать главные оси инерции Земли, хотя, в зависимости от
конкретной задачи исследования, возможен и другой выбор осей [5].
Положение системы X1Y1Z1 относительно системы XYZ принято определять тремя
эйлеровыми углами: ψ,υ,ϕ.
Рис.1. Вращение Земли.
Основные сведения о ВЗ получены путем наблюдения суточного движения
небесных тел. Из наблюдений установлено, что Земля, по отношению к точке весеннего
равноденствия, - совершает один оборот за 1 звёздные сутки (около 23 ч 56 мин 4 сек)
среднего солнечного времени. Вращение Земли происходит с запада на восток, т. е.
против часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса Земли. Ось ВЗ не сохраняет
неизменным своего направления в пространстве, она перемещается так, что средний
наклон (υ) экватора к эклиптике начальной эпохи почти постоянен (в 1900г. он был равен
23° 27′8, 26″ и в течение 20 в. увеличится менее чем на 0,1″). Линия же пересечения
экватора Земли и эклиптики начальной эпохи (линия узлов) медленно движется по
эклиптике с востока на запад, перемещаясь на 1° 13′ 57,08″ в столетие, вследствие чего
угол ψ изменяется на 360° за 25 700 лет. Таким образом, ось ОР описывает коническую
поверхность вокруг перпендикуляра к плоскости эклиптики (прецессия). Кроме этого, ось
ОР совершает в пространстве ряд колебаний с периодами от нескольких суток до 18,6
года (нутация). Относительно оси ВЗ само тело Земли совершает небольшие колебания
(движение полюсов). Мгновенная ось вращения ОР всегда почти совпадает с наименьшей
осью эллипсоида инерции Земли O L1: угол между этими осями по наблюдениям,
выполненным с конца 19 в., не превосходит 0,4″ [5].
Эти изменения экваториальных координат Солнца в течение года происходят
неравномерно. Например,
на 20.09.14 и 26.09.14 экваториальные координаты солнца
соответственно равны: α=11 48 51,366
δ=+1°12'24,41'' и α=12 06 48,844
δ=-
1°07'40,19; а на 20.12.14 и 24.12.14 соответственно - (α=17 51 59,139 , δ=+23°25'10,36'')
и (α=18 09 03,340 , δ=23°25'05,80'').
Движение Земли вокруг Солнца происходит в том же направлении, что и вращение
Земли вокруг оси, и неравномерно. При этом ось вращения Земли всегда наклонена к
плоскости орбиты Земли под углом 66° 33'. Поэтому, кажется, что Солнце так же
неравномерно перемещается по небесному своду среди звезд, так же с запада на восток,
но по окружности (эклиптике), плоскость которой наклонена к плоскости небесного (и
земного) экватора под углом 23°27' =90°- 66°33' [8].
До начала 20 в. считалось, что Земля вращается равномерно, и период её вращения
использовался как естественная единица времени. Промежуток времени между двумя
последовательными совпадениями оси OX1 с линией узлов Оγ, в течение которого угол ϕ
возрастает на 360°, был назван звёздными сутками. Вследствие вращения самой линии Оγ
звёздные сутки на 0,0084 сек короче периода ВЗ Однако из точного анализа позиционных
наблюдений Солнца, Луны и планет выяснилось, что ВЗ происходит неравномерно и
продолжительность звёздных суток меняется. Приливное трение замедляет ВЗ, вследствие
чего продолжительность суток постепенно возрастает: за последние 2,5 тыс. лет она
увеличивалась в среднем на 0,0024 сек в столетие. Происходят также периодические
колебания
скорости
метеорологическими
ВЗ:
годовые
явлениями;
и
полугодовые,
месячные
и
связанные
полумесячные,
с
сезонными
возникающие
из-за
приливных деформаций Земли под влиянием притяжения Луны. Вследствие годовых
изменений скорости ВЗ продолжительность суток в январе приблизительно на 0,001 сек
больше, чем в июле [5].
Нерегулярные изменения скорости Земли происходят через неравномерные
промежутки времени и довольно резко. Причинами могут быть как изменения внутри
планеты ( сильные землетрясения, извержения вулканов), так и вне ее [3].
Российские исследователи выдвинули гипотезу, что одной из причин являются
облака солнечной плазмы. Они имеют собственные магнитные поля, которые
взаимодействуют с магнитным полем Земли. Когда облака солнечной плазмы пролетают
впереди Земли (относительно ее движения по орбите), то возникают силы, замедляющие
вращение нашей планеты. Когда они пролетают сзади - вращение ускоряется.
Нерегулярные
изменения
скорости
вращения
Земли
вызывают
изменения
продолжительности суток до 0,0062”(декабрь 1973 г.). Продолжительность время
пребывания светила над горизонтом и под горизонтом также зависит от скорости
вращения Земли. Например, в
городе Ашхабаде время пребывания Солнца над
горизонтом на 20.09.14 составляет 12ℎ 14 37 , 26.09.14 - 12ℎ 00 03 , 20.1214 - 9ℎ 31 59 .
Таким образом, неравномерное вращение влияет на продолжительность светового дня. К
сожалению, неравномерные изменения скорости вращения Земли изучены недостаточно,
и вопрос об их причинах остается пока открытым [3].
Обнаружены также «скачкообразные» изменения скорости Вращения Земли, когда
продолжительность суток за 1—3 года уменьшается или возрастает на несколько
тысячных долей секунды. Наиболее значительные из них произошли в 1864 г., 1876 г.,
1898 г. и 1920 г. Их причина окончательно не установлена [5].
Таким образом, изучение неравномерности вращения Земли, движения полюсов и
нутации земной оси имеет большое практическое
значение: определение значения
координат небесных и земных объектов, что способствует более точному определению
местоположения объекта; согласованию отсчетов времени нескольких наблюдателей,
находящихся в различных точках земного шара; созданию звездных карт, атласов и т.д.
Литература:
1.
Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие / под ред.
В.В. Иванова. – М.: Едиториал УРСС, 2001;
2.
Астрономический ежегодник на 2014 год. – СПб.: Наука, 2013;
3.
Геодезическая астрономия применительно к решению инженерно-геодезических
задач / И.С. Пандул. – СПб.: Политехника, 2010;
4.
Труды ИПА РАН. Вып. 10. В.А. Брумберг, Н.И. Глебова, М.В. Лукашева, А.А.
Малков, Е.В. Питьева, Л.И. Румянцева, М.Л. Свешников, М.А. Фурсенко. Расширенное
объяснение к «Астрономическому ежегоднику». – СПб.: ИПА РАН, 2004;
5.
http://vvkuz.ru/books/lectures_2/2.pdf
6.
В.
К.
Милюков,
ДЕФОРМАЦИОННЫЕ
В.
К.
Кравчук,
ПРОЦЕССЫ
В
А.
П.
Миронов,
ЛИТОСФЕРЕ,
Л.
А.
Латынина
СВЯЗАННЫЕ
С
НЕРАВНОМЕРНОСТЬЮ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ 2011 г. // - Периодическое издание
ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2011, №3, с. 96-109.
7.
http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/08_04/UNSTABLE.HTM-
Природа нестабильностей вращения Земли Н.С.Сидоренков
8.
http://studopedia.ru/2_31885_izmenenie-ekvatorialnih-koordinat-solntsa.html