Нестабильность вращения Земли (стр. 1 из 4)

Н.С. Сидоренков

Вращение Земли вокруг своей оси испокон веков используется человеком для измерения времени. В астрономии и геодезии оно лежит в основе введения различных систем координат. Однако при вращении Земли меняется ее скорость, движутся географические полюса, колеблется ось вращения в пространстве. Эта нестабильность искажает координаты небесных и земных объектов. Неравномерность вращения и движение полюсов вызываются процессами, протекающими на планете, и зависят от особенностей строения и физических свойств земных недр.

Астрономические данные. Сомнения в постоянстве скорости суточного вращения Земли возникли после открытия Э. Галлеем в 1695 г. векового ускорения движения Луны. Мысль о вековом замедлении вращения Земли под действием приливного трения была впервые высказана И. Кантом в 1755 г. Во второй половине прошлого столетия были получены свидетельства о нерегулярных флуктуациях скорости вращения планеты и движении географических полюсов. С тех пор за неравномерностью вращения и движением полюсов ведутся регулярные наблюдения.

Скорость вращения Земли можно охарактеризовать отклонением длительности земных суток от эталонных, равных 86400 с. Чем короче земные сутки, тем быстрее вращается Земля. До создания очень точных атомных часов скорость вращения контролировалась благодаря сравнению наблюденных и вычисленных (в соответствии с небесно-механическими теориями) координат планет. Так удалось получить представление об изменении скорости вращения Земли в течение последних трех столетий (рис. 1). С начала XVIII до середины XIX в. скорость вращения Земли менялась мало. Со второй половины XIX в. по настоящее время наблюдаются значительные нерегулярные флуктуации угловой скорости вращения с характерными временами порядка 60-70 лет. Быстрее всего Земля вращалась в 1870 г., когда длительность суток была на 0.003 с короче эталонных, а медленнее всего - в 1903 г. (земные сутки были длиннее эталонных на 0.004 с). С 1903 по 1934 г. происходило ускорение вращения Земли, с конца 30-х годов до 1972 г. наблюдалось замедление, а с 1973 г. по настоящее время Земля ускоряет свое вращение. Колебание угловой скорости вращения Земли, наблюдавшееся в XX в. (с 1903 по 1972 г.) часто называют 60-70-летним. В XIX в. колебание примерно того же периода было зафиксировано с 1845 по 1903 г. В более раннюю эпоху 60-70-летние колебания не прослеживаются. К сожалению, данные XVII-XVIII вв. имеют низкую разрешающую способность, так как тогда интервалы времени между наблюдениями иногда достигали 29 лет.

Точность определения неравномерности вращения Земли улучшилась в 1955 г. - после того как стали использоваться атомные часы. С этого момента появилась возможность регистрировать колебания скорости вращения Земли с периодами более одного месяца. Ход среднемесячных величин скорости вращения за период 1955-2000 гг. показан на рисунке 2. Скорость вращения Земли бывает наименьшей в апреле и ноябре, а наибольшей - в январе и июле. Январский максимум значительно меньше июльского. Разность между минимальной величиной отклонения длительности земных суток от эталонных в июле и максимальной в апреле или ноябре составляет 0.001 с.

Сезонные колебания обычно описывают суммой годовой и полугодовой гармоник. Их амплитуды и фазы от года к году меняются, обнаруживая интересные закономерности. Амплитуда годовой гармоники меняется с характерным временем около шести, а полугодовой - около двух лет. Средняя величина амплитуд годовой и полугодовой гармоник равна соответственно 0.00035 и 0.00032 с.

В 80-е годы астрооптические наблюдения были заменены новыми методами измерений: лазерная локация спутников (ЛЛС) и Луны (ЛЛЛ), системы глобального позиционирования (СГП) и т.д. Точность определения Всемирного времени увеличилась на два порядка. В итоге появилась возможность изучать колебания скорости вращения Земли с периодами до суток, а в отдельные моменты специальных серий наблюдений - до нескольких часов.

На рисунке 3 воспроизведен суточный ход значений отклонений длительности суток в 2000 г. Здесь, помимо сезонных изменений, обусловленных гидроме-теорологическими процессами, хорошо видны приливные колебания скорости вращения Земли. По величине размаха они немного уступают сезонным колебаниям, но их периоды в десятки раз короче сезонных (близки к 14 суткам).

Эффективным инструментом исследования цикличностей является спектральный анализ. Он заключается, во-первых, в представлении изучаемых колебаний в виде суммы элементарных гармоник, и, во-вторых, в выявлении зависимости средних квадратов амплитуд этих гармоник от их частоты или периода, то есть в нахождении спектральной функции.

В приливных колебаниях скорости вращения Земли выделяются составляющие с периодами в год, полгода, 13.7; 27.3; 9.1 суток. Спектральный анализ 350-летнего ряда среднегодовых значений дает максимум спектральной плотности на периоде около 70 лет. Колебание с этим периодом особенно заметно проявлялось в последние 150 лет. В начале XX в. амплитуда 70-летнего колебания достигала 2 месяцев.

Изменяется не только угловая скорость Земли. Наша планета совершает небольшие колебания относительно оси вращения. Поэтому движутся точки, в которых ось пересекает земную поверхность (мгновенные полюса Земли). Они перемещаются по земной поверхности вокруг среднего полюса в направлении вращения Земли, то есть с запада на восток. Траектория движения полюса имеет вид спирали, которая периодически то закручивается, то раскручивается. Для примера на рисунке 4 показана траектория движения мгновенного Северного полюса за 1996-2000 гг. Его максимальное удаление от среднего отмечалось в мае-июле 1996 г. Затем полюс стал закручиваться, и это продолжалось до 2000 г., когда он подошел на минимальное расстояние к центру спирали. Сейчас полюс раскручивается и удаляется от своего среднего положения.

Самое большое удаление мгновенного полюса от среднего не превышает 15 м. Закручивание и раскручивание траектории полюса объясняется тем, что он совершает два периодических движения: свободное или чандлеровское (названо в честь открывшего его в 1891 г. С. Чандлера) с периодом около 14 месяцев и вынужденное - с годовым периодом. Чандлеровское движение полюсов возникает, если ось вращения Земли отклонена от оси ее наибольшего момента инерции. Движение полюсов, вызванное действием на Землю периодических сил атмосферы и гидросферы, называется вынужденным. Период свободного движения зависит не от периода возбуждающей силы, как это характерно для вынужденного движения, а от динамического сжатия и упругих свойств планеты. Сложение этих движений и дает наблюдаемую картину. Анализ координат полюса за последние 110 лет показывает, что вынужденное движение происходит по эллипсу с запада на восток. Величины больших полуосей эллипса колебались в пределах от 3.4 до 2.7 м, малых полуосей - от 2.5 до 1.8 м, эксцентриситетов - от 0.15 до 0.46, а восточные долготы большой полуоси имели значения от 2050 до 1450 ВД.

Чандлеровское движение полюса имеет почти круговую траекторию. Оно характеризуется еще большей изменчивостью параметров. Радиус свободного движения обладает амплитудной модуляцией с периодом около 40 лет. Максимальные значения радиуса (9 м) наблюдались в 1915 и 1955 гг., а минимум (2 м) - в 1930 г.

Центр спирали находится в стороне от международного условного начала координат. Причина тому - вековое движение полюса. Если из координат полюса выделить годовую и чандлеровскую составляющие, то останутся координаты среднего полюса. Он тоже смещается. Траектория движения среднего полюса за 1890-2000 гг. изображена на рисунке 4. В течение периода наблюдений средний полюс смещался по сложной зигзагообразной кривой с преобладающим направлением в сторону Северной Америки (меридиан 290° в.д.) со скоростью около 10 см в год.

Природа периодических колебаний. Фигура Земли близка к эллипсоиду вращения. Когда Луна и Солнце не лежат в плоскости земного экватора, их силы притяжения стремятся развернуть планету так, чтобы экваториальные вздутия фигуры располагались по линии, соединяющей центры масс Земли, Луны и Солнца. Но Земля не поворачивается в этом направлении, а прецессирует под действием момента пары сил.

Ось вращения Земли медленно описывает конус вокруг перпендикуляра к плоскости эклиптики (рис. 5). Вершина конуса совпадает с центром планеты. Точки равноденствий и солнцестояний движутся по эклиптике навстречу Солнцу, совершая оборот за 26 тыс. лет (скорость движения -1° за 72 года).

Моменты сил притяжения, действующие на экваториальные вздутия, меняются в зависимости от положения Луны и Солнца по отношению к Земле. Когда эти планеты находятся в плоскости земного экватора, моменты сил исчезают, а когда склонения Луны и Солнца максимальны, то величина момента наибольшая. Вследствие таких колебаний моментов сил тяготения наблюдаются нутации (от лат. nutatio - колебание) оси вращения Земли, складывающиеся из ряда небольших периодических колебаний. Главнейшее из них имеет период 18.6 года - время обращения узлов орбиты Луны. Движение с этим периодом происходит по эллипсу. Большая ось эллипса перпендикулярна направлению прецессионного движения и равна 18".4; малая параллельна ему и равна 13".7. Таким образом, ось вращения Земли описывает на небесной сфере волнообразную траекторию, точки которой находятся на угловом расстоянии в среднем около 23°27' от полюса эклиптики (рис. 5).

Приливные выступы перемещаются по земной поверхности вслед за Луной и Солнцем с востока на запад, то есть в направлении, обратном суточному вращению Земли. Естественно, что при этом в океанах и в Земле возникают силы трения, тормозящие вращение планеты, благодаря чему и происходит вековое замедление вращения Земли. Оценки показывают, что сутки должны удлиняться на 0.003 с за 100 лет. Таким образом, неравномерности вращения Земли, представленные на рисунках, почти не связаны с влиянием приливного трения и вызваны другими причинами.