ВАРИАЦИИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ
Неравномерность скорости суточного вращения Земли была обнаружена еще в начале ХХ века. Эти вариации, по мнению В.М. Киселева (1980), выражаются, в основном, тремя способами: 1.Ось вращения меняет свою ориентацию в пространстве; 2. Ось вращения Земли меняет свое положение относительно поверхности Земли; 3. Угловая скорость вращения Земли переменна относительно мгновенной оси.
Изменения пространственного положения земной оси обусловлены, в основном, гравитационным воздействием Луны, Солнца и планет Солнечной системы на Землю. Эта величина достаточно точно рассчитывается. Значительно сложнее дело обстоит со вторым и третьим аспектами, которые проявляются, соответственно, в виде движения полюсов относительно поверхности Земли и вариаций угловой скорости вращения Земли, рис.42. Движения полюсов можно разделить на три составляющие: движение с периодом в 14 месяцев переменной амплитуды, равной 0,1², открытое Чандлером; движение с годичным периодом и амплитудой 0,08², соответствующей
2,5 м на земной поверхности, и третье – очень медленное и неправильное вековое движение, в среднем, около 0,003² или 10 см в год, (А.А. Михайлов, 1984).
Рис. 42. Схема прецессии и нутации Земли
http://vivovoco.ibmh.msk.su/VV/JOURNAL/NATURE/08_04/UNSTABLE.H
Чандлерово движение отражает свободное перемещение полюсов. На сегодня нет однозначного ответа, объясняющего причины таких колебаний, при этом существуют различные гипотезы, в том числе, связывающие эти колебания с сильными землетрясениями и извержениями вулканов. Годичные колебания связывают с метеорологическими явлениями – отложениями снега и таянием снегов, скоплением зимой воздушных масс над северо-восточной Азией, когда атмосферное давление становится выше обычного. Вековое движение полюса не подчиняется четким закономерностям и на сегодня, не имеет однозначного объяснения (А.А. Михайлов 1984).
Между тем, эти типы движений не рассматриваются в данной работе, поэтому основное внимание будет уделено неравномерности в скорости суточного вращения Земли. Обычно выделяют три основных аспекта в изменениях длительности земных суток: 1) Вековые изменения на 1-2 мс за 100 лет; 2) Сезонные вариации с амплитудой около 0,5 мс; 3) Нерегулярные изменения от года к году, величина которых более чем на порядок превосходит вековые изменения.
Вековые изменения длительности суток связаны, преимущественно, с действием приливообразующих сил, возникающих в результате гравитационного взаимодействия Земли с Луной и Солнцем. Сезонные вариации угловой скорости вращения Земли обусловлены изменениями зональной циркуляции атмосферы в течение года и, частично, лунными приливами.
Впервые на существование нерегулярных изменений скорости вращения Земли обратил внимание еще Ньютон в 1875 году, исследуя движение Луны. Наличие нерегулярных изменений во вращении Земли, стало очевидным после работ Де Ситера и Спенсера Джонса, которыми были обнаружены одновременные изменения в среднем движении: Луны, Солнца, Меркурия, Венеры, Марса и спутников Юпитера, пропорциональные их средним движениям. Однако, до настоящего времени не сложилось однозначного мнения относительно причин нерегулярного изменения угловой скорости вращения Земли (В.М. Киселев, 1980).
На рис.43 показан график нерегулярных вариаций длительности земных суток с 1850 по 2000 годы, сглаженный 5-ти летними скользящими средними. Различные исследователи пытались выдвигать концепции, объясняющие механизм нерегулярных изменений суточного вращения Земли. Так, в работах У. Манк (1964) и С. Чатзман (1960) рассматривались исследования взаимодействия геомагнитного поля с межпланетной средой и возможность влияния этого взаимодействия на вариации угловой скорости вращения Земли. В работе Ю.А. Бильде (1976) показано, что заметные изменения скорости вращения Земли могут возникнуть, когда частота изменения внешнего магнитного поля (например: ионосферного происхождения) максимально близка к частоте вращения Земли. В работе Дж. Гинзберг (1972) приводятся оценки вращательного момента, возникающего в результате взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем, при этом показано, что этот момент недостаточен для объяснения наблюдаемых изменений длительности земных суток. В 1965 году была высказана гипотеза о том, что импульсные изменения скорости суточного вращения Земли, могут быть обусловлены электромагнитным взаимодействием Земли с потоками солнечной плазмы, обладающими без силовой конфигурацией магнитных полей, названной М – элементами (В.И. Афанасьев, 1965 г.). Эта идея впоследствии была развита в работе Н.П. Бенькова (1976), где показано, что если в солнечном ветре существуют плазменные образования с характеристиками М-элементов, то с их помощью можно объяснить внезапные изменения скорости суточного вращения Земли.
П.Н. Кропоткин, Н.Н. Парийский и другие исследователи, связывают наблюдаемые изменения скорости суточного вращения Земли с возможными изменениями ее радиуса и формы: П.Н. Кропоткин (1984), Н.Н. Парийский (1984), В.Е. Хаин, Ш.Ф. Мехтиев, Э.Н. Халилов (1984, 1986, 1987, 1988, 1989 гг.).
Рис. 43. График вариаций длительности суток с 1850 по 2000 годы,
построенный по данным В.М. Кисилева (1980)
Y – график вариаций длительности суток;
Ось γ, (ms) – изменения длительности суток.
Так, в работе П.Н. Кропоткина (1984) указано, что периодические изменения радиуса Земли, являются первопричиной, как цикличности в проявлениях тектонических процессов, так и вариаций угловой скорости вращения Земли (Кропоткин, 1984). Одновременно, эта же идея выдвигается В.Е. Хаиным,
Ш.Ф. Мехтиевым и Э.Н. Халиловым (1984), где также, как и в работе П.Н. Кропоткина (1984), делается вывод о периодических изменениях радиуса Земли, при этом, в периоды сжатия Земли, уменьшение радиуса происходит за счет активизации процесса субдукции и замедления процесса спрединга, а в периоды расширения Земли – происходит обратный процесс.
Примечательно, что в работе П.Н. Кропоткина (1984), установлена хорошая корреляция между Чандлеровыми движениями, угловой скоростью вращения Земли и сейсмической активностью, что позволяет увязать все эти процессы в единую, логически обоснованную, систему.
Теоретические расчеты упругой деформации Земли и соответствующих изменений ее момента инерции, ее вращения и силы тяжести на поверхности, были сделаны Н.Н. Парийским еще в 1954 г. На основе проведенных вычислений
Н.Н. Парийский пришел к выводу, что ни эффекты, вызванные солнечной активностью, ни атмосферные явления, не могут вызвать наблюдаемых изменений угловой скорости вращения Земли. По его мнению, эти вариации могут являться результатом глобальных деформационных процессов в Земле, приводящих не только к периодическому изменению ее радиуса, но также к сложному изменению ее формы. Судя по его описанию этого процесса, он должен носить квадрупольный характер, т.е. Земля должна «менять свою форму, расширяясь в средних и полярных областях и на порядок больше сжимаясь в экваториальных» (Н.Н. Парийский, 1984).
Приведенный в работе Д.Д. Иваненко (1984) результат исследованийнерегулярных изменений силы тяжести, соответствует ситуации, когда сжатию Земли в месте измерения, будет соответствовать общее увеличение момента инерции Земли, что возможно только, если в другом месте земного шара происходит расширение. По мнению В.М. Федорова, существуют некоторые особенности в распределении катастрофических землетрясений в суточном цикле вращения Земли. Эти особенности объясняются причинно-следственной зависимостью распределения землетрясений от динамики составляющих приливообразующих сил Луны и Солнца в связи с суточным вращением Земли.
При исследованиях коррелляционной связи глобальной сейсмической активности Земли со скоростью ее вращения, группа ученых (Фридман, Клименко, Поляченко, 2005) пришла к интересным выводам: 1. Корреляция между частотой поверхностных землетрясений и угловым ускорением Земли монотонно растет с ростом магнитуды; 2. Корреляции между сейсмической активностью и изменениями угловой скорости вращения Земли в зонах субдукции, направленных вдоль широты и вдоль меридиана качественно отличаются. В результате своих исследований, авторы делают заключение, в соответствии с которым: «за изменение годовой сейсмической активности и за изменение угловой скорости вращения Земли отвечают процессы сжатия и растяжения земной коры в направлении, поперечном оси вращения».
В последних работах известного исследователя неравномерности вращения Земли Н.С. Сидоренкова, сделаны интересные выводы о связи нестабильности вращения Земли с гидрометеорологическими процессами. Эти исследования вошли в основу запатентованного учеными (Н.С. Сидоренков, П.Н. Сидоренков, 2002) способа прогноза гидрометеорологических характеристик. В работах Н.С. Сидоренкова отмечается, что между приливными колебаниями скорости вращения Земли и изменениями синоптических процессов в атмосфере имеется статистически значимое соответствие. Естественные синоптические периоды совпадают с режимами вращения Земли. Приливные колебания скорости ее вращения обусловлены лунно-солнечными зональными приливами. По мнению указанных исследователей, эволюция синоптических процессов в атмосфере происходит не только за счет внутренней динамики климатической системы, но и под управлением лунно-солнечных зональных приливов (Сидоренков, 2004).
Проведенные исследования рядом ученых (Жарков, Пасынок, 2004) позволили придти к выводу, что вариации угловой скорости вращения Земли имеют очень сложный характер, при этом в них наблюдаются гармоники совершенно разных порядков. Накладываясь друг на друга, эти гармоники создают весьма сложную картину изменения длительности земных суток. Исходя из этого, В.Н. Жарков и С.Л. Пасынок попытались разработать теорию вращения Земли, назвав ее новой теорией нутации. В соответствии с данной теорией, нутация вращения Земли представляется, как достаточно сложная, но стройная система, в которой существует своеобразная иерархия множества наложенных друг на друга нутационных движений оси вращения разных порядков.
На наш взгляд, вариации суточного вращения Земли, несомненно, связаны с процессами деформации и изменениями масс в системе ядро-литосфера – гидросфера-атмосфера. Подтверждением вышесказанного могут являться изменения угловой скорости вращения Земли и смещение оси Земли после катастрофических землетрясений, например, в Индонезии (Суматра, 26 декабря 2004 года) и Чили (27 февраля 2010 г.). В результате землетрясения в Индонезии 26 декабря 2004 года сместилось положение Северного географического полюса. Он сдвинулся на 2,5 сантиметра в направлении 145 градуса восточной долготы. Изменение скорости вращения планеты вызвало увеличение продолжительности суток на 2,68 микросекунды, а перемещение масс привело к изменению формы планеты. В результате землетрясения пропорции планеты изменились на одну десятимиллиардную, то есть Земля стала менее сплюснутой и более компактной.
В качестве примера отклонений угловой скорости вращения Земли от прогнозируемых значений приводится график, составленный Н.В. Сидоренковым (2009), рис.44.
Между тем, проведенное нами сравнение графика изменений длительности суток с графиком солнечной активности (солнечной постоянной) позволило получить интересные результаты, рис.45. Сразу обращает на себя внимание наличие общих тенденций в характере изменений длительности суток и кривой, огибающей максимальные значения вариаций солнечной постоянной. Существование корреляционной связи между вариациями солнечной постоянной и изменением длительности суток может иметь физическое обоснование. Мы хотим провести логическую цепочку. Если солнечная активность оказывает влияние на геодинамические процессы, а также на процессы в гидросфере (например, таяние льдов, изменения уровня воды в океанах и морях) и атмосфере, то это должно приводить перераспределению масс в указанных слоях Земли, что должно изменить момент инерции и угловую скорость вращения Земли. Безусловно, данный вопрос требует более тщательного изучения.
Рис. 44. Измеренные (пунктир) и прогнозируемые (красная линия) приливные
колебания скорости вращения Земли с 01 октября 2006 г. по 31 декабря 2007 г.
(Н.С. Сидоренков, 2009 г.)
По оси ординат указаны отклонения угловой скорости вращения в 10^-10.
Для совпадения обеих шкал ко всем измеренным значениям
прибавлена постоянная величина 150*10^-10.
(http://geophyslab.srcc.msu.ru/article.php?story=20090505132607712)
Рис. 45. Сравнение графиков изменений длительности земных суток и солнечной
активности (солнечной постоянной), составил Э.Н. Халилов, 2010 г.
Ось Sa – значения солнечной постоянной;
Ось ms – значения изменений длительности суток в ms;
Графики: желтым – график вариаций солнечной постоянной;
голубым – график изменений длительности земных суток;
сиреневым – график, огибающий максимальные значения вариаций
солнечной постоянной.
Дата добавления: 2014-12-22; просмотров: 4139;