CC BY
54
КОРРЕЛЯЦИИ В ДВИЖЕНИИ ЗЕМНЫХ ПОЛЮСОВ И СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ С РАЗЛИЧНЫМИ ПРИРОДНЫМИ ФАКТОРАМИ
Виктор Мартынович Тиссен
Сибирская государственная геодезическая академия , 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, Сибирский научноисследовательский институт метрологии, 630004, г. Новосибирск, ул. Димитрова 4, кандидат технических наук, тел. (383) 229-75-30
В статье показаны взаимосвязи, имеющие место в сложной динамике вращения Земли в космическом пространстве и различными физическими процессами, происходящими на Земле и в Солнечной системе. Рассмотрены вопросы о возможном влиянии природных катаклизмов, наблюдающихся в последние десятилетия на изменение некоторых геофизических и космических параметров. Наряду, с обзором имеющихся в литературе материалов, приводятся результаты исследований, полученные автором.
Ключевые слова: Земля, вращение, корреляция, координаты полюса.
CORRELATION IN THE MOVEMENT OF THE EARTH'S POLES AND EARTH ROTATION SPEED WITH NATURAL FACTORS
Viktor M. Tissen
The Siberian state geodetic academy, 630108, Novosibirsk, Street Plahotnogo, 10, the senior lecturer of chair of metrology, standardization and certification, Siberian Scientific-Research Institute of Metrology, 630004, Novosibirsk, 4 Dimitrova UI., at.s., tel. (383) 229-75-30
The article tries to show the breadth and depth of relationships occurring in complex dynamics of rotation of the Earth in outer space and various physical processes on Earth and in the solar system. Questions about the possible impact of natural disasters in the past decade to some applications of geophysical and space options. Together with a review of the literature in materials, research results obtained by the author.
Key words: Earth, rotation, correlation, the coordinates of the pole.
Земля в своем бесконечном вращении в космическом пространстве совершает множество колебательных движений различной амплитуды и частоты. Ось вращения Земли постоянно изменяет свое положение в пространстве, совершая так называемые прецессионные и нутационные движения. На рис. 1 показана схема перемещения полюса мира P (точки пересечения оси вращения с небесной сферой) по неподвижной небесной сфере. Полюс мира обращается вокруг полюса эклиптики П против часовой стрелки с периодом 25 700 лет, который называют периодом прецессии. На это движение накладываются небольшие нутационные колебания с периодами от
18.6 года до 4 суток [1].
Причина, порождающая явление прецессии и нутации возникает из-за того, что фигура Земли не является идеальным шаром, а близка к эллипсоиду
вращения. Это приводит к тому, что когда Луна и Солнце не лежат в плоскости земного экватора, то их силы притяжения стремятся развернуть Землю так, чтобы экваториальные вздутия фигуры располагались по линии, соединяющей центры масс Земли, Луны и Солнца. Действие этих сил на вращение Земли и приводит возникновению прецессии земной оси.
Вследствие колебаний моментов сил тяготения наблюдаются нутации оси вращения Земли, которые складываются из ряда небольших периодических колебаний, главный из которых имеет период 18.6 года. Далее по порядку убывания амплитуды следуют гармонические компоненты с периодом 0.5 года,
13.7 суток, 9.3 года, 1 год, 27.6 суток и т. д. Из-за них траектория движения полюса мира имеет вид “тонких кружев” (показано на увеличенном фрагменте в левой части рисунок 1). Таким образом, ось вращения Земли описывает на небесной сфере сложную волнообразную траекторию, точки которой находятся на угловом расстоянии в среднем около 23°27 от полюса эклиптики.
Кроме прецессионных и нутационных колебаний, земная ось перемещается по спирали относительно средних географических полюсов. В левой части рис. 2, точками показано движение полюса Земли в 1996-2000 гг.; сплошная линия отображает траекторию среднего полюса с 1890 по 2000 гг. [2], а в правой части (программный график) с 2006 по 2012 г.
Рис. 1. Схема движения оси вращения Земли в пространстве
Рис. 2. Движение северного полюса Земли
Анализируя данные на рис. 2, можно отметить, что в течение всего периода наблюдений средний полюс смещался со скоростью около 10 см/год по сложной зигзагообразной кривой с преобладающим направлением в сторону Северной Америки (меридиан 290° в.д.) [1]. Главными из периодических движений северного полюса являются свободное чандлеровское колебание с периодом около 1,2 года и вынужденное годовое, возникающее вследствие орбитального вращения Земли вокруг Солнца. Сложение этих двух периодических движений и определяет в основном вид спирали, по которой происходит движение северного полюса.
Скорость вращения Земли также не остается постоянной. Вследствие этого Земля вращается неравномерно и длительность суток все время изменяется. Для оценки неравномерностей вращения определяют уход неравномерной шкалы времени всемирного времени относительно шкалы координированного равномерного времени, который называют поправкой часов dUT 1. В прежние века поправка часов в системе неравномерного всемирного времени иТ1 вычислялась относительно более равномерной системы ТЕ. Ошибки наблюдений и неточности принятых теории движения Луны и планет искажали равномерность шкалы ТЕ. Тем не менее, благодаря сохранившимся с середины семнадцатого века астрономическим наблюдениям, мы имеем сегодня возможность хотя бы приблизительно воссоздать картину вращения Земли за последние 350 лет.
На рис. 3 приведен график, изменений параметра dUT1 с 1656 г. по настоящее время в системе равномерного земного динамического времени ТТ [2].
1656 1681 1706 1731 1756 1781 1806 1831 1856 1881 1906 1931 1956 1981
Рис. 3. Неравномерности вращения Земли за период 1650-2010 гг.
Из данных графика на рис. 3 следует, что в прошлые века скорость вращения Земли изменялась относительно равномерно и незначительно вплоть до конца девятнадцатого века, когда произошло ее резкое замедление. За последние 100 лет прослеживаются периоды замедления и ускорения скорости вращения Земли с характерными временами порядка 20-30 лет. В настоящее время Земля замедляет свое вращение, которое вероятно будет продолжаться еще от 15 до 20 лет. Причинами неравномерностей вращения Земли многие авторы связывают с такими природными процессами как изменение в распределении воздушных масс в атмосфере, снежного и ледяного покровов, осадков и растительности на земной поверхности, вариации уровня Мирового океана, взаимодействие ядра и мантии Земли, извержения вулканов, землетрясения, воздействия внешних сил и других природных факторов [3].
На рис. 4 приведены графики изменений ПВЗ за 6 летний период (сверху вниз всемирное время, координаты полюса X и Y соответственно) относительно сглаженных кривых.
Рис. 4. Изменения ПВЗ с 2006 по 2012 г.
Из анализа графиков следует отметить, что изменения координат полюса по обоим компонентам имеют схожую структуру, наполненную высокочастотными составляющими, в то время как изменения параметра 1 имеют более сглаженный вид, что можно объяснить доминированием в их составе низкочастотных изменений.
На рис. 5 и 6 приведены графики возбуждающей функции углового момента атмосферной циркуляции за период с декабря 2011 по март 2012 г.
Приведенные графические данные представлены, также в текстовых файлах, на сайте: ftp.gfz-potsdam.de/pub/home/ig/ops. Статистическая обработка этих данных совместно с данными изменений ПВЗ показала присутствие между ними корреляционных связей. Аналогичные связи наблюдаются, также и другими природными факторами, в частности: океанической и гидрологической циркуляции, массовыми переносами тепла и др. Более подробный качественный и количественный анализ этих связей в предусмотренных объемах данной статьи выполнить не представляется возможным. Поэтому автор привести результаты этой работы в следующих статьях.
4
Г'-
I
0 2 -
—1 О -
1 О
2 -2 -
<
<
12 01 02 03
Оес/иап/РеЬ/Маг ¡п 2012
Рис. 5. Изменения углового момента атмосферной циркуляции по поверхности
Земли
12 01 02 03
Dec/Jan/Feb/Mar in 2012
Рис. 6. Изменения углового момента атмосферной циркуляции по высоте
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сидоренков Н.С. Физика нестабильностей вращения Земли. - М.: Наука, 2002. - 320 с.
2. McCarthy, D. (2003). Earth Orientation Parameters Prediction Research / D. D. McCarthy, G. Petit // IERS Conventions (2003). - Frankfurt am Main : Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie, 2004. p. 144-148, IERS Technical Note No. 32.
3. Шулейкин В.В. Взаимодействие звеньев в системе «Океан-Атмосфера-Материки». - Природа, № 10/71.
4. Dill, R., Dobslaw, H. (2010), Short-term Polar Motion Forecasts from Earth System Modeling Data, J. Geodesy, 84, 9, 529 - 536, doi:10.1007/s00190-010-0391-5.
5. Тиссен В. М., Толстиков А. С., Малкин З. М. Опыт краткосрочного и
долгосрочного прогнозирования параметров вращения Земли // Сб. материалов III Международного научного конгресса «ГЕ0-Сибирь-2007», 25-27 апреля 2007 гг.
Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2007. Т. 4, ч. 2. - С. 92-95.
© В.М. Тиссен, 2012
