VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

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 %. По-видимому, 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 былоисследование 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 12ч14м37с, 26.09.14 - 12ч00м03с, 20.1214 - 9ч31м59с. 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=11h48m51,366s δ=+1°12'24,41'' и α=12h06m48,844s δ=-1°07'40,19; а на 20.12.14 и 24.12.14 соответственно - (α=17h51m59,139s , δ=+23°25'10,36'') и (α=18h09m03,340s, 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 ВЗ: годовые и полугодовые, связанные с сезонными метеорологическими явлениями; месячные и полумесячные, 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 12h14m37s, 26.09.14 - 12h00m03s, 20.1214 - 9h31m59s. 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;

1. http://vvkuz.ru/books/lectures_2/2.pdf

2. В. К. Милюков, В. К. Кравчук, А. П. Миронов, Л. А. Латынина ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИТОСФЕРЕ, СВЯЗАННЫЕ С НЕРАВНОМЕРНОСТЬЮ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ 2011 г. // - Периодическое издание ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2011, №3, с. 96-109.

3. http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/08_04/UNSTABLE.HTM- Природа нестабильностей вращения Земли Н.С.Сидоренков

4. http://studopedia.ru/2_31885_izmenenie-ekvatorialnih-koordinat-solntsa.html

Код для цитирования: Скопировать