Горизонты науки

Д. ф.-м. н. Н.С.Сидоренков,
Гидрометцентр России, г. Москва

НЕСТАБИЛЬНОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ

Вращение Земли вокруг своей оси испокон веков используется человеком для измерения времени. В астрономии и геодезии оно служит незаменимой основой для введения различных систем координат. Однако Земля вращается не совсем стабильно: меняется скорость ее вращения, движутся географические полюсы, колеблется ось вращения в пространстве. Эти нестабильности доставляют много хлопот астрономам, геодезистам и исследователям космоса, т.к. они искажают координаты небесных и земных объектов. Неравномерность вращения Земли и движение полюсов вызываются процессами, протекающими на нашей планете, и зависят от особенностей строения и физических свойств земных недр. Являясь отражением земных процессов, нестабильности вращения Земли содержат ценную информацию об этих процессах, выдаваемую самой природой.

Таким образом, изучение неравномерности вращения планеты, движения полюсов и нутаций земной оси имеет большое практическое и научное значение. Оно позволяет исправлять искаженные координаты небесных и земных объектов, способствует расширению и углублению наших знаний в различных областях наук о Земле. Как же меняется суточное вращение Земли во времени? Чем вызывается неравномерность вращения Земли, движение полюсов, нутация земной оси?

АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

В 123 г. до н.э. Гиппарх открыл явление предварения равноденствий, или прецессию. В 1755 г. Джеймс Брадлей открыл явление нутации оси вращения Земли. 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 появились свидетельства нерегулярных флуктуаций скорости вращения Земли и движения географических полюсов. С тех пор за неравномерностью вращения Земли и движением полюсов ведутся регулярные наблюдения.

Скорость вращения Земли наиболее просто можно охарактеризовать отклонением длительности земных суток от эталонных (86 400 с). Чем короче земные сутки, тем быстрее вращается Земля.

Земля, вращающаяся вокруг своей оси, является своего рода часами, а звезды и светила на небесной сфере – своего рода делениями циферблата. Вращающиеся вместе с Землей телескопы, направленные на то или иное светило, координаты которого можно найти в астрономическом ежегоднике, позволяют «отсчитывать» по нему земное время.

Наряду с часами «Земля» астрономы использовали сначала механические, потом кварцевые, а в последние десятилетия атомные часы. Точность атомных часов столь высока, что с их помощью можно проверить ход часов «Земля». Такая «проверка», ведущаяся в Международном бюро времени с 1955 г., показывает, что часы «Земля» идут не лучшим образом. Они иногда спешат, а иногда отстают. Плохой ход часов «Земля» вызван непостоянством скорости вращения планеты.

До создания атомных часов С…РѕРґ часов «Земля» контролировался лишь путем сравнения наблюденных Рё вычисленных (РІ соответствии СЃ небесно-механическими теориями) координат Луны, Солнца Рё планет. Таким путем удалось получить представление РѕР± изменении скорости вращения Земли РІ течение последних трех столетий – СЃ конца XVII РІ., РєРѕРіРґР° стали вестись первые инструментальные наблюдения Р·Р° движением Луны, Солнца Рё планет (СЂРёСЃ. 1). Оказывается, что СЃ начала XVIII РІ. РґРѕ середины XIX РІ. скорость вращения Земли менялась мало. РЎРѕ второй же половины XIX РІ. РїРѕ настоящее время наблюдались значительные нерегулярные флуктуации этой скорости СЃ характерными временами РїРѕСЂСЏРґРєР° 60–70 лет. Наиболее быстро Земля вращалась около 1870 Рі., РєРѕРіРґР° длительность земных суток была РЅР° 0,003 СЃ короче эталонных, Р° наиболее медленно – около 1903 Рі. (земные сутки были длиннее эталонных РЅР° 0,004 СЃ) (СЂРёСЃ. 1). РЎ 1903 РїРѕ 1934 РіРі. происходило ускорение вращения Земли, СЃ конца 30-С… РіРі. РґРѕ 1972 Рі. наблюдалось замедление, Р° СЃ 1973 Рі. РїРѕ настоящее время Земля ускоряет СЃРІРѕРµ вращение. Колебание угловой скорости вращения Земли, наблюдавшееся РІ РҐРҐ РІ. (СЃ 1903 Рі. РїРѕ 1972 Рі.) часто называют 60–70-летним. Р’ XIX РІ. колебание примерно того же периода имело место СЃ 1845 Рі. РїРѕ 1903 Рі. Р’ более раннюю СЌРїРѕС…Сѓ 60-70-летние колебания РЅРµ прослеживаются. Рљ сожалению, данные XVII–XVIII РІРІ. имеют РЅРёР·РєСѓСЋ разрешающую способность, С‚.Рє. тогда интервалы времени между наблюдениями достигали РёРЅРѕРіРґР° 29 лет.

Рис. 1. Отклонения dP длительности суток от эталонных за последние 350 лет

Точность определения неравномерности вращения Земли радикально улучшилась с 1955 г., после того как стали использоваться атомные часы. С этого момента появилась возможность регистрировать все колебания скорости вращения Земли периодом более одного месяца. Ход среднемесячных величин отклонений dP (вследствие неравномерности скорости вращения Земли) за период 1955–2000 гг. показан на рис. 2. Видно, что с 1956 г. по 1961 г. вращение Земли ускорялось, с 1962 г. по 1972 г. – замедлялось, а с 1973 г. по настоящее время – снова ускорялось. Замедление вращения Земли, закончившееся в 1972 г., началось в 1935 г., т.е. за пределами изображенного периода. Ускорение, возникшее в 1973 г., вероятно, еще не закончилось и продлится до 2005–2010 гг. Ускорение вращения 1958–1961 гг. и замедление 1989–1994 гг. являются кратковременными флуктуациями. На фоне многолетних изменений хорошо видны сезонные колебания dP. 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.

Рис. 2. Среднемесячные отклонения dP длительности земных суток от эталонных за последние 45 лет

Формально сезонные колебания обычно описывают суммой годовой и полугодовой гармоник. Амплитуды и фазы этих гармоник меняются от года к году, обнаруживая интересные закономерности. Амплитуда годовой гармоники меняется с характерным временем около шести лет, а полугодовой – около двух лет. Средняя величина амплитуд годовой и полугодовой гармоник равна соответственно 0,000 35 и 0,000 32 с.

В 80-е гг. астрооптические наблюдения стали заменяться новыми методами измерений: с помощью радиоинтерферометров со сверхдлинными базами (РСДБ), лазерной локации спутников (ЛЛС) и Луны (ЛЛЛ), системы глобального позиционирования (СГП/GPS) и т.д. Точность определения всемирного времени (UT) увеличилась на два порядка. В итоге появилась возможность изучать короткопериодные колебания скорости вращения Земли периодом до суток, а в отдельные периоды специальных серий наблюдений до нескольких часов.

На рис. 3 воспроизведен ход суточных отклонений длительности суток в 2000 г. (кривая 2), по данным «IERS Annual Report» (2000). Здесь, помимо сезонных изменений, обусловленных гидрометеорологическими 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 сут.

Известно, что спектральный анализ 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, т.е. в нахождении спектральной функции или просто спектра.

Р’ спектре приливных колебаний скорости вращения Земли выделяются составляющие периодами РіРѕРґ, полгода, 13,7; 27,3; 9,1 СЃСѓС‚. Спектральный анализ всего 350-летнего СЂСЏРґР° среднегодовых значений n дает максимум спектральной плотности РЅР° периоде около 70 Р»РµС‚. Колебание СЃ этим периодом особенно заметно проявлялось РІ последние 150 лет. Р’ начале РҐРҐ РІ. амплитуда 70-летнего колебания достигала 2 РјСЃ.

Изменяется РЅРµ только угловая скорость Земли, наша планета совершает небольшие колебания относительно РѕСЃРё вращения. Поэтому точки, РІ которых РѕСЃСЊ пересекает земную поверхность, – мгновенные полюсы Земли – движутся. РћРЅРё перемещаются РїРѕ земной поверхности РІРѕРєСЂСѓРі среднего полюса РІ направлении вращения Земли, С‚.Рµ. СЃ запада РЅР° восток. Траектория движения полюса имеет РІРёРґ спирали, которая периодически то закручивается, то раскручивается. Для примера РЅР° СЂРёСЃ. 4 показана траектория движения мгновенного Северного полюса Р·Р° 1996–2000 РіРі. Максимальное удаление мгновенного полюса РѕС‚ среднего отмечалось РІ мае–июле 1996 Рі. Затем полюс стал закручиваться, Рё это продолжалось РґРѕ 2000 Рі., РєРѕРіРґР° полюс подошел РЅР° минимальное расстояние Рє центру спирали. Сейчас полюс раскручивается Рё РІСЃРµ далее удаляется РѕС‚ своего среднего положения.

Рис. 3. Ход суточных значений отклонений dP длительности суток от эталонных в 2000 г. Кривая
1 (вверху) – прогноз приливных колебаний величин dP, а кривая 2 (внизу) – данные наблюдений

Самое большое удаление мгновенного полюса РѕС‚ среднего РЅРµ превышает 15 Рј. Закручивание Рё раскручивание траектории полюса объясняется тем, что полюс совершает РґРІР° периодических движения: СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕРµ, или чандлеровское (названо РІ честь открывшего его РІ 1891 Рі. Сэта Чандлера), периодом около 14 мес., Рё вынужденное – годовым периодом. Чандлеровское движение полюсов – это движение, которое возникает, если РѕСЃСЊ вращения Земли каким-либо образом отклонить РѕС‚ РѕСЃРё ее наибольшего момента инерции. Движение полюсов, вызванное периодическим действием РЅР° Землю СЃРѕ стороны атмосферы Рё гидросферы, называется вынужденным. Период СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕРіРѕ движения зависит РЅРµ РѕС‚ периода возбуждающей силы, как это характерно для вынужденного движения, Р° РѕС‚ динамического сжатия Рё СѓРїСЂСѓРіРёС… свойств Земли. Сложение этих РґРІСѓС… движений Рё дает наблюдаемую картину биений [1]. Анализ координат полюса Р·Р° последние 110 лет показывает, что вынужденное движение РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РїРѕ эллипсу СЃ запада РЅР° восток. Величины больших полуосей эллипса колебались РІ пределах РѕС‚ 3,4 РґРѕ 2,7 Рј, малых полуосей – РѕС‚ 2,5 РґРѕ 1,8 Рј, эксцентриситетов – РѕС‚ 0,15 РґРѕ 0,46, Р° восточные долготы большой полуоси имели значения РѕС‚ 205В° РґРѕ 145В° РІ.Рґ.

Рис. 4. Траектория движения полюса в 1996–2000 гг. Сплошная кривая – траектория среднего полюса с 1890 по 2000 гг. (IERS Annual Report, 2000)

Чандлеровское движение полюса, по тем же данным, имеет почти круговую траекторию. Оно характеризуется еще большей изменчивостью своих параметров. Радиус свободного движения имеет амплитудную модуляцию периодом около 40 лет. Максимальные значения радиуса (9 м) наблюдались около 1915 и 1955 гг., а глубокий минимум (2 м) – около 1930 г. Из-за этого в спектрах координат полюса возле основного пика на чандлеровской частоте 1/1,18 года имеется боковой пик на частоте 1/1,24 года.

Из рис. 4 видно, что центр спирали находится в стороне от начала координат – международного условного начала. Причина тому – так называемое вековое движение полюса. Если из координат полюса отфильтровать годовую и чандлеровскую составляющие, то останутся координаты среднего полюса. Оказывается, он тоже смещается. Траектория среднего полюса за 1890–2000 гг. изображена сплошной кривой. Видно, 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.).

ПРИРОДА ПЕРИОДИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ

Фигура Земли близка к эллипсоиду вращения. Когда Луна и Солнце не лежат в плоскости земного экватора, силы их притяжения стремятся развернуть Землю так, чтобы экваториальные вздутия фигуры располагались по линии, соединяющей центры масс Земли, Луны и Солнца. Но Земля не поворачивается в этом направлении, а под действием момента пары сил прецессирует [2]. Ось вращения Земли медленно описывает конус вокруг перпендикуляра к плоскости эклиптики (рис. 5). Вершина конуса совпадает с центром Земли. Точки равноденствий и солнцестояний движутся по эклиптике навстречу Солнцу, совершая один оборот за 26 тыс. лет (скорость движения 1° за 72 года).

Моменты СЃРёР» притяжения, которые действуют РЅР° экваториальные вздутия, меняются РІ зависимости РѕС‚ положений Луны Рё Солнца РїРѕ отношению Рє Земле. РљРѕРіРґР° Луна Рё Солнце находятся РІ плоскости земного экватора, моменты СЃРёР» исчезают, Р° РєРѕРіРґР° склонения Луны Рё Солнца максимальны, то Рё величина момента наибольшая. Вследствие таких колебаний моментов СЃРёР» тяготения наблюдаются нутации (РѕС‚ лат. nutatio – колебание) РѕСЃРё вращения Земли, складывающиеся РёР· СЂСЏРґР° небольших периодических колебаний. Главнейшее РёР· РЅРёС… имеет период 18,6 РіРѕРґР° – время обращения узлов орбиты Луны. Движение СЃ этим периодом РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РїРѕ эллипсу. Большая РѕСЃСЊ эллипса перпендикулярна направлению прецессионного движения Рё равна 18,4''; малая параллельна ему Рё равна 13,7''. Таким образом, РѕСЃСЊ вращения Земли описывает РЅР° небесной сфере волнообразную траекторию, точки которой находятся РЅР° угловом расстоянии РІ среднем около 23В° 27' РѕС‚ полюса эклиптики.

Приливные выступы постоянно перемещаются по земной поверхности вслед за Луной и Солнцем – с востока на запад, т.е. в направлении, обратном суточному вращению Земли. Естественно, что при таком перемещении в океанах и в Земле возникают силы трения, которые тормозят вращение планеты. Благодаря этому и должно происходить вековое замедление вращения Земли. Оценки показывают, что из-за этого сутки должны удлиняться на 0,003 с за 100 лет. Таким образом, неравномерности вращения Земли, представленные на наших рисунках, почти не связаны с влиянием приливного трения, а вызываются другими причинами.

Рис. 5. Схема движения оси вращения Земли в пространстве для внеземного наблюдателя

Земные приливы играют заметную роль и в колебаниях скорости вращения Земли с периодами менее одного месяца. Приливообразующая сила растягивает Землю вдоль прямой, соединяющей ее центр с центром возмущающего тела – Луны или Солнца. При этом сжатие Земли увеличивается, когда ось растяжения совпадает с плоскостью экватора, и уменьшается, когда ось растяжения отклоняется к тропикам. Момент инерции* сжатой Земли больше, чем недеформированной. А поскольку момент импульса Земли (т.е. произведение ее момента инерции на угловую скорость) должен оставаться постоянным, то и скорость вращения сжатой Земли меньше, чем недеформированной. При движении Луны и системы Земля–Луна склонения Луны и Солнца и расстояния от Земли до Луны и Солнца постоянно меняются. Поэтому приливообразующая сила колеблется во времени соответствующим образом, что в конечном итоге и вызывает приливную неравномерность вращения Земли. Наиболее значительными являются колебания с полумесячным и месячным периодами.

Чем же обусловлена неприливная неравномерность вращения Земли и движение полюсов? Имеется очень много процессов, которые в принципе могут влиять на вращение Земли. Например, изменения 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 т.д. Тщательные оценки вклада этих процессов позволили выявить наиболее существенные из них.

Р’ течение РіРѕРґР° массы РІРѕР·РґСѓС…Р° Рё влаги (РІРѕРґС‹, снега Рё льда) перераспределяются между материками Рё океанами, Р° также между Северным Рё Южным полушариями. Так, РІ январе масса РІРѕР·РґСѓС…Р° над континентом Евразия РЅР° 6Р§10¹⁵ РєРі больше, чем РІ июле. РћС‚ января Рє июлю РёР· Северного полушария РІ Южное переносится 4Р§10¹⁵ РєРі РІРѕР·РґСѓС…Р°. Р’ течение всей Р·РёРјС‹ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ накопление снега РІ северных районах Евразии Рё Северной Америки. Весной же снег тает, Рё влага возвращается РІ РњРёСЂРѕРІРѕР№ океан. Р’СЃРµ это меняет момент инерции Земли Рё РІ какой- то степени сказывается РЅР° ее вращении. Оценки показывают, что сезонное перераспределение воздушных Рё водных масс мало влияет РЅР° сезонную неравномерность вращения Земли, РЅРѕ почти полностью обусловливает вынужденное движение полюсов.

Чандлеровское движение полюсов возникает, как мы уже говорили, когда ось вращения Земли отклоняется от оси наибольшего момента инерции Земли. Однако оно должно затухать со временем, т.к. энергия свободного движения полюсов превращается в Земле в тепло. Отсутствие затухания свободного движения полюсов указывает на то, что имеются какие-то процессы, непрерывно его поддерживающие. К таким процессам относят землетрясения, электромагнитное взаимодействие ядра и мантии Земли, лунно-солнечную прецессию и т.д. Наиболее вероятно, что свободное движение полюсов поддерживается межгодовыми колебаниями системы Земля–океан–атмосфера [2].

Исследования последних лет показали, что главной причиной сезонной неравномерности вращения Земли является атмосферная циркуляция. Известно, что РІ среднем атмосфера движется относительно земной поверхности РІ РЅРёР·РєРёС… широтах СЃ востока РЅР° запад (РґСѓСЋС‚ восточные ветры), Р° РІ умеренных Рё высоких – СЃ запада РЅР° восток (преобладают западные ветры). Момент импульса восточных ветров отрицателен, Р° западных – положителен. Можно было Р±С‹ думать, что эти моменты компенсируют РґСЂСѓРі РґСЂСѓРіР°, Рё момент импульса ветров всей атмосферы всегда равен нулю. Однако расчеты показывают, что момент импульса восточных ветров РІ несколько раз меньше момента импульсов западных ветров [1]. Поэтому момент импульса ветров всей атмосферы РЅРµ равен нулю, Р° составляет РІ среднем Р·Р° РіРѕРґ +14Р§10²⁵ кгЧм²/СЃ. Его величина меняется РІ течение РіРѕРґР° РѕС‚ +16,1Р§10²⁵ РІ апреле Рё РЅРѕСЏР±СЂРµ РґРѕ +10,9Р§10²⁵ кгЧм²/СЃ РІ августе.

Момент импульса – это такая физическая величина, которая не может возникать или уничтожаться. Она способна лишь перераспределяться. В рассматриваемом случае перераспределение происходит между атмосферой и Землей. Когда момент импульса атмосферы увеличивается, т.е. усиливаются западные ветры или ослабевают восточные ветры, момент импульса Земли уменьшается, т.е. замедляется ее вращение. Когда же момент импульса атмосферы уменьшается (ослабевают западные или усиливаются восточные ветры), вращение Земли ускоряется. Суммарный момент импульса Земли и атмосферы всегда остается неизменным. Этот результат может служить хорошей иллюстрацией того, что закон сохранения момента импульса справедлив не только в физических лабораторных экспериментах, но и в глобальных масштабах в природе.

Факт, что момент импульса ветров всегда положителен, РіРѕРІРѕСЂРёС‚ Рѕ том, что атмосфера РІ целом вращается РІРѕРєСЂСѓРі РѕСЃРё быстрее Земли. Уподобляя движение атмосферы РІ целом вращению твердого тела, можно сказать, что период обращения атмосферы РІРѕРєСЂСѓРі РѕСЃРё составляет РІ апреле Рё РЅРѕСЏР±СЂРµ 23 С‡ 36 РјРёРЅ, Р° РІ августе – 23 С‡ 45 РјРёРЅ. Р’ среднем Р·Р° РіРѕРґ сутки для атмосферы длятся 23 С‡ 38 РјРёРЅ, Р° РЅРµ 23 С‡ 56 РјРёРЅ, как для Земли.

Иногда думают, что раз атмосфера обгоняет Землю в суточном вращении, то она должна непрерывно его ускорять. Однако на неравномерность вращения Земли влияют лишь изменения момента импульса ветров. Постоянная же величина момента импульса ветров была заимствована атмосферой у Земли в момент формирования атмосферной циркуляции. Тогда скорость вращения Земли немного замедлилась (длительность суток возросла на 0,0024 с) и остается таковой в настоящее время. Если источник, поддерживающий ветры в атмосфере – Солнце, – иссякнет, то атмосферная циркуляция прекратится, момент импульса ветров «стечет» к Земле, и длительность суток примет свое первоначальное значение (уменьшится на 0,0024 с).

Атмосферу, неравномерно разогретую по горизонтали солнечными лучами, можно рассматривать как тепловую машину. Она превращает тепловую энергию Солнца в кинетическую энергию ветров. Наиболее теплые части атмосферы в этом случае выполняют роль нагревателя, а самые холодные – холодильника. Рабочим телом служит сам воздух. В современной физике атмосферы известны несколько тепловых машин. Важнейшими из них являются тепловые машины, порождаемые контрастом температур между экватором и полюсами. Известный советский геофизик В.В.Шулейкин назвал их тепловыми машинами первого рода [3]. Одна из них работает в Северном полушарии, а другая – в Южном. Благодаря этим машинам поддерживаются наблюдаемые восточные ветры в низких широтах и западные – в умеренных и высоких. Чем больше контраст температур экватор–полюс, тем интенсивнее атмосферная циркуляция в данном полушарии и тем больше величина момента импульса ветров.

Контраст температур в каждом полушарии колеблется с годовым периодом. Он бывает наибольшим зимой и наименьшим летом. Поэтому момент импульса ветров Северного полушария, удерживаемый тепловой машиной первого рода, совершает гармонические колебания с периодом один год от максимального значения в январе до минимального в июле. В Южном полушарии годовое колебание имеет противоположную фазу: момент импульса максимален в июле и минимален в январе. Поэтому годовые колебания ветров Северного и Южного полушарий компенсируют друг друга, и момент импульса ветров всей атмосферы должен оставаться почти постоянным. Итак, тепловые машины первого рода обуславливают появление в атмосфере положительной величины момента импульса ветров, но почти не влияют на наблюдаемые сезонные колебания.

Долгое время оставалось неясным, почему момент импульса ветров всей атмосферы испытывает наблюдаемые сезонные колебания. В 1975 г. автор открыл существование в атмосфере межполушарной тепловой машины [1]. Было обнаружено, что в верхних слоях атмосферы самой теплой областью является не экватор и не параллель, на которой Солнце в полдень бывает в зените, а полярная «шапка» летнего полушария (в июле – северная, в январе – южная). Оказалось, что средняя температура воздуха непрерывно убывает от полюса летнего полушария до полюса зимнего (в июле – от Северного полюса до Южного, в январе – от Южного полюса до Северного). Стало ясно, что в атмосфере имеется межполушарная тепловая машина, нагревателем которой является атмосфера летнего полушария, а холодильником – атмосфера зимнего полушария. Межполушарная тепловая машина препятствует работе тепловых машин первого рода. Она уменьшает величину момента импульса ветров, удерживаемую в атмосфере тепловыми машинами первого рода. Чем больше контраст температур между полушариями, тем значительнее этот эффект. В январе и в июле, когда работа межполушарной тепловой машины наиболее интенсивна, момент импульса ветров уменьшается до минимальных значений, и скорость вращения Земли достигает максимума. В апреле и в ноябре температурные различия между атмосферой Северного и Южного полушарий выравнивается; межполушарная тепловая машина прекращает свою работу, поэтому в атмосфере удерживается предельно большая величина момента импульса ветров, а скорость вращения Земли становится минимальной.

Различие величин июльского и январского максимумов скорости вращения Земли связано с тем, что атмосфера Северного полушария (в среднем за год) теплее атмосферы Южного полушария. Поэтому контраст температур между полюсами в июле значительно больше, чем в январе. Если бы подстилающие поверхности в Северном и Южном полушариях были одинаковы, то величины январского и июльского максимумов скорости вращения Земли не различались бы. Интенсивность работы межполушарной тепловой машины меняется от года к году. В соответствии с этим меняются и параметры сезонных колебаний скорости вращения Земли.

ПРИРОДА ДЕСЯТИЛЕТНИХ ИЗМЕНЕНИЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ

Десятилетние изменения скорости вращения Земли слишком велики, чтобы РёС… можно было объяснить, как Рё сезонные колебания, перераспределением момента импульса между атмосферой Рё Землей. Так, например, замедление скорости вращения СЃ 1870 РїРѕ 1903 РіРі. было таким, что момент импульса Земли уменьшился РЅР° 48Р§10²⁵ кгЧм²/СЃ. Если Р±С‹ это замедление произошло РёР·-Р·Р° перераспределения момента импульса между Землей Рё атмосферой, то момент импульса ветров РІ 1870 Рі. был Р±С‹ РЅР° 48Р§10²⁵ кгЧм²/СЃ больше, чем РІ 1903 Рі. Другими словами, скорость ветров РІ атмосфере должна была Р±С‹ увеличиться более чем РІ 3 раза (Р·Р° 33 РіРѕРґР° скорости западных ветров должны были постепенно усилиться, Р° восточных ослабеть РІСЃСЋРґСѓ примерно РЅР° 20 Рј/СЃ). Однако столь больших долгопериодических колебаний атмосферной циркуляции нет. Такие же простые оценки изменений момента инерции Земли, требуемых для объяснения десятилетней неравномерности вращения Земли, дают неестественно большие величины. Поэтому считается, что долгопериодическая неравномерность вращения Земли РЅРµ может вызываться геофизическими процессами, протекающими РЅР° земной поверхности. Ее обычно связывали СЃ такими внутриземными процессами, как взаимодействие СЏРґСЂР° Рё мантии Земли. Р’ пользу этой гипотезы свидетельствует тесная корреляция между изменениями скорости вращения Земли Рё флуктуациями скорости дрейфа эксцентричного магнитного диполя Земли СЃ характерным временем РїРѕСЂСЏРґРєР° 60 лет.

В последние годы получен ряд эмпирических фактов, которые заставляют по-новому интерпретировать эту проблему. Расскажем о них по порядку.

Влияние атмосферы РЅР° вращение Земли можно оценить РЅРµ только РІ результате подсчета изменения момента инерции Рё момента импульса атмосферы, РЅРѕ Рё путем вычисления моментов СЃРёР», действующих РЅР° Землю СЃРѕ стороны атмосферы. Рљ РЅРёРј относятся, как известно, моменты СЃРёР» трения ветра Рѕ подстилающую поверхность Рё моменты СЃРёР» давления РЅР° горные хребты, которые, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ парусам, стоят РЅР° пути ветров. Чтобы определить эти моменты СЃРёР», требуются данные Рѕ полях ветра или атмосферного давления РІ приземном слое над всей Землей. Зная суммарный момент СЃРёР», легко вычислить ускорение Рё неравномерность вращения Земли. Автор воспользовался этим методом момента СЃРёР» Рё вычислил неравномерность вращения Земли Р·Р° 1956–1977 РіРі. РїРѕ данным Рѕ полях среднемесячного атмосферного давления РЅР° СѓСЂРѕРІРЅРµ РјРѕСЂСЏ над всем земным шаром Р·Р° указанный период [1].

Расчеты показали, что не только сезонная, но и долгопериодическая неравномерность вращения Земли вызывалась в 1956–1977 гг. механическим воздействием атмосферы на Землю. Этот результат указывает на существование переноса «порцией» иногда положительного, а иногда отрицательного момента импульса через приземный слой атмосферы, что приводит к долгопериодической неравномерности вращения Земли. Соответствующие же изменения момента импульса ветров, необходимые для выполнения баланса, не наблюдаются. Поэтому должен быть какой-то «поставщик» момента импульса в атмосферу. Естественно было предположить, что атмосфера получает момент импульса либо из околоземного космического пространства, либо от Земли – в процессе долгопериодического перераспределения влаги между океаном и сушей. Оценки показали, что поток момента импульса из космоса за счет солнечного ветра и воздействия межпланетного магнитного поля пренебрежимо мал, и дальнейшие усилия были направлены на исследования роли перераспределения воды.

Как известно, около 2% всей РІРѕРґС‹ РЅР° Земле находится РІ замерзшем состоянии (РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј РІ РІРёРґРµ льда). Общая масса льда РІ современную СЌРїРѕС…Сѓ равна около 28,4 • 10¹⁸ РєРі, причем 90% приходится РЅР° ледниковый щит Антарктиды, 9% – РЅР° ледник Гренландии Рё менее 1% составляет масса льда всех остальных горных ледников. Площади ледниковых щитов составляют: РІ Антарктиде 13,9 • 10¹² Рј², РІ Гренландии 1,8 • 10¹² Рј², горных ледников – 0,5Р§10¹² Рј².

Масса ледников значительно меняется во времени. Например, 12 тыс. лет назад растаял громадный ледниковый щит, покрывавший в четвертичном периоде почти всю Русскую равнину и значительные пространства Западной Европы и Северной Америки. Во время малого климатического оптимума, который имел место около тысячи лет назад, у ледникового щита Гренландии была существенно меньшая масса, чем ныне. Такое перераспределение влаги между Мировым океаном и ледниковыми щитами неизбежно сопровождалось изменением момента инерции Земли и должно было приводить к какой-то неравномерности вращения Земли и движению полюсов.

Теория приводит к системе алгебраических уравнений, связывающих скорость вращения Земли и координаты полюса с массами льда в Антарктиде и Гренландии, а также воды в Мировом океане. Эти уравнения позволяют решать две задачи. Если известны массы льда в Антарктиде, Гренландии и воды в Мировом океане, то можно вычислить характеристики вращения Земли – координаты полюса и скорость вращения Земли. Если же эти массы неизвестны, но имеются данные о нестабильностях вращения Земли, то можно решить обратную задачу: по координатам полюса и скорости вращения вычислить ежегодные значения масс льда в Антарктиде, Гренландии и воды в Мировом океане. автор решил обратную задачу [1], воспользовавшись данными о вращении Земли за последние 110 лет. К сожалению, мы не смогли сопоставить ряды вычисленных масс льда в Гренландии и воды в Мировом океане с данными наблюдений из-за отсутствия последних. Лишь для Антарктиды удалось сопоставить вычисленную кривую изменений массы льда с наблюденной (рис. 6). Качественное согласие кривых оказалось столь хорошим, что связь долгопериодической неравномерности вращения Земли с флуктуациями глобального водообмена кажется возможной. Однако вычисленные колебания глобального водообмена почти в 29 раз больше наблюденных.

Этот противоречивый результат, возможно, свидетельствует о том, что наблюдаемые десятилетние особенности вращения есть не неравномерность вращения и движение полюсов всей Земли, а лишь изменения скорости дрейфа литосферы по астеносфере. В самом деле, моменты сил одного знака, возникающие в процессе флуктуаций глобального водообмена, действуют в течение десятилетий. Возможно, что лежащее под литосферой вещество астеносферы при столь длительных воздействиях ведет себя не как твердое тело, а течет, подобно вязкой жидкости. Тогда десятилетний глобальный водообмен может вызвать скольжение литосферы по астеносфере, не оказывая заметного влияния на более глубокие слои Земли. При проведении астрономических наблюдений изменение скорости дрейфа литосферы будет регистрироваться как «неравномерность вращения Земли» и «движение полюсов». Но на создание таких кажущихся «неравномерностей вращения Земли» и «движения полюсов» требуются перераспределения масс воды, в 29 раз меньшие, чем для действительных неравномерностей вращения и движения полюсов всей Земли. В пользу этой гипотезы говорит неоднократно отмечаемая корреляция сейсмической активности с неравномерностью вращения Земли.

Рис. 6. Изменение во времени отклонения удельной массы zА льда в Антарктиде.
Сплошная кривая (1) – теоретические величины, прерывистая (2) – эмпирические данные

Состояние ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии зависит от изменений климата. Поэтому флуктуации вращения Земли могут коррелировать с изменениями климатических характеристик и индексов. И такая связь найдена [1, 4]. Установлена тесная связь десятилетних флуктуаций вращения Земли с изменениями эпох атмосферной циркуляции, колебаниями глобальной температуры воздуха, региональных осадков и облачности и даже с изменениями уловов промысловых рыб в Тихом океане. Замечено, что каждому режиму вращения Земли соответствует своя преобладающая форма атмосферной циркуляции и, следовательно, свой режим погоды в различных районах земного шара. На рис. 7 приведен ход изменений скорости вращения Земли, температуры воздуха в Северном полушарии и накопленной суммы аномалий повторяемости типа С атмосферной циркуляции за 1891–1998 гг. Сопоставление кривых показывает их тесную корреляцию.

Итак, с одной стороны десятилетние флуктуации скорости вращения Земли могут возникать из-за обмена моментом импульса между мантией и жидким ядром Земли. Изменения скорости вращения жидкого ядра обусловливают колебания скорости вращения мантии. При этом суммарный момент импульса Земли остается постоянным.

С другой стороны, существует тесная связь между десятилетними флуктуациями скорости вращения Земли и изменениями климатических и гляциологических характеристик. Но процессы в ядре Земли не могут влиять на смену эпох атмосферной циркуляции, флуктуации температуры воздуха, атмосферные осадки, состояние ледников и т.п. климатические процессы и характеристики.

Эти противоречия устраняются, если предположить, что существует третья причина, которая одновременно влияет и на процессы в земном ядре, и на процессы в климатической системе. Такой причиной может быть гравитационное взаимодействие Земли с Луной, Солнцем и планетами. В частности, как показал Ю.В.Баркин, притяжение Луной, Солнцем и планетами несферичных, неоднородных оболочек Земли, занимающих эксцентричные положения, приводит к относительным смещениям и колебаниям их центров масс, к вынужденным перемещениям масс. Весь комплекс возникающих при этом в земных оболочках явлений можно назвать для краткости обобщенными приливами.

С одной стороны, обобщенные приливы вызывают изменения в ядре и связанные с ними многолетние вариации геомагнитного поля. С другой стороны, они обуславливают вариации в климатической системе, которые приводят к флуктуациям скорости вращения Земли. В таком случае, естественно, десятилетние вариации скорости вращения Земли будут коррелировать со всеми названными выше геофизическими и гидрометеорологическими процессами.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ О ВРАЩЕНИИ ЗЕМЛИ В ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ

Изучение неравномерности вращения Земли и движения полюсов перспективно в целях решения обратных задач. Дело в том, что определять колебания глобальных характеристик атмосферы или гидросферы значительно сложнее, нежели отражающих их колебания скорости вращения Земли и движения полюсов. Так, чтобы один раз вычислить момент импульса ветров, необходимо собрать данные о распределении ветра с высотой по возможности со всех аэрологических станций мира, произвести их объективный анализ (т.е. интерполяцию и экстраполяцию) и вычислить численным путем интеграл по объему, занятому атмосферой. Данные же о сезонных колебаниях угловой скорости вращения Земли позволяют без труда определять колебания момента импульса ветров почти с той же точностью. Для этого достаточно учесть лишь некоторые известные поправки.

Сезонная неравномерность вращения Земли отражает работу межполушарной тепловой машины и может использоваться в качестве показателей разности температур, интенсивности циркуляции воздуха и обмена влагой между Северным и Южным полушариями.

Рис. 7. Синхронные изменения уклонений длительности земных суток от эталонных dP (кривая 1), интегральной кривой аномалий годового числа дней с процессами формы С (кривая 2) и скользящих десятилетних аномалий температуры воздуха Dt Северного полушария Dt после исключения тренда и увеличения в 1000 раз (кривая 3)

Десятилетние флуктуации скорости вращения Земли и вековое движение полюса могут использоваться для расчета изменений масс льда в Антарктиде, Гренландии и воды в Мировом океане (см. рис. 6). По этим флуктуациям можно следить и в какой-то степени прогнозировать колебания климата. Дело в том, что периоды ускорений вращения Земли (уменьшения длительности суток) совпадают с эпохами отрицательных аномалий частоты появления типа С атмосферной циркуляции и положительных аномалий комбинированного типа (W+E) атмосферной циркуляции (рис. 7). В эти периоды увеличивается масса льда в Антарктиде, ослабевает интенсивность зональной циркуляции, повышается темп роста температуры Северного полушария, преобладают положительные аномалии глобальной облачности, нарастают уловы промысловых рыб в Тихом океане. В периоды замедлений скорости вращения Земли типы атмосферной циркуляции C появляются чаще, а (W+E) – реже обычного, масса льда в Антарктиде уменьшается, понижается темп роста глобальной температуры, отмечаются отрицательные аномалии глобальной облачности, снижаются от года к году уловы промысловых рыб в Тихом океане.

Ускорение вращения Земли, начавшееся в 1973 г., закончится, вероятно, в 2005–2010 г. Поэтому можно ожидать, что в ближайшие годы наступит период замедления вращения Земли и начнется новая климатическая эпоха. Это означает, что в одних районах земного шара станет теплее и суше, а в других – прохладнее и влажнее. Типы атмосферной циркуляции C начнут появляются чаще, а (W+E) реже обычного, масса льда в Антарктиде будет уменьшаться, снизится темп роста глобальной температуры, будут отмечаются отрицательные аномалии глобальной облачности, станут снижаться от года к году уловы промысловых рыб в Тихом океане.

Как отмечалось выше, в последние 20 лет надежно измеряются приливные колебания скорости вращения Земли. В течение многих лет автор вел синхронный мониторинг приливных колебаний скорости вращения Земли, эволюции синоптических процессов в атмосфере, режимов атмосферной циркуляции и вариаций гидрометеорологических характеристик во времени. В итоге было замечено, что большая часть типов синоптических процессов в атмосфере меняется синхронно с приливными изменениями угловой скорости вращения Земли. На ретроспективных данных автор показал, что между приливными колебаниями скорости вращения Земли и изменениями синоптических процессов в атмосфере имеется статистически значимое синхронное соответствие. Позже было найдено аналогичное соответствие между приливными колебаниями вращения Земли и вариациями метеорологических характеристик. В итоге был запатентован cпособ прогноза гидрометеорологических характеристик (Государственный реестр изобретений Российской Федерации, 10 мая 2002 г.). Наша методика прогнозирования принципиально отличается от тех, которыми повсеместно пользуются синоптики-долгосрочники, и позволяет составлять метеорологические прогнозы с суточным разрешением и на срок до одного года. Оправдываемость таких прогнозов составляет около 75%. В качестве примера на рис. 8 приведен прогноз температуры в Москве на 2002 г.

Мы полагаем, что эту методику можно использовать и для практического прогнозирования природных и социальных явлений: сейсмичности, извержений вулканов, экономических кризисов, вспышек эпидемий, демографических взрывов, политических переворотов и даже войн. Для этого необходим комплексный пространственно-временной анализ различных событий, при условии, что над ним будут одновременно работать ученые различных направлений: медики, психологи, историки в кооперации с астрономами и геофизиками. Тогда можно не только ретроспективно выявлять совпадения и закономерности природно-социальных катаклизмов, но и делать их вероятностный прогноз.

Рис. 8. прогноз среднесуточной температуры воздуха в москве на 2002 г. (составлен автором 10.01.02 г.) (цифрами отмечены даты экстремумов температуры)

В заключение поздравляю читателей «Физики» с новым годом и привожу прогноз погоды на 2003 г. (рис. 9), чтобы учителя вместе с учениками проверили справедливость разработанного метода.

Рис. 9. прогноз среднесуточной температуры воздуха в москве на 2003 г. (цифрами отмечены даты экстремумов температуры)

Литература

1. Сидоренков Н.С. Физика нестабильностей вращения Земли. – М.: Наука, 2002.
2. Сидоренков Н.С. Межгодовые колебания системы атмосфера–океан–Земля. – Физика, № 25/98.
3. Шулейкин В.В. Взаимодействие звеньев в системе «Океан–Атмосфера-Материки».– Природа, № 10/71.
4. Lambeck K. The Earth’s Variable Rotation: Geophysical Causes and Consequences. – Cambridge: Cambridge University Press, 1980.

Поздравляем с юбилеем!

От всей души поздравляем Вас с юбилеем и желаем любви, радости, добра, взаимопонимания и дальнейших профессиональных успехов!
Николай Сергеевич Сидоренков родился в Калужской обл. в крестьянской семье. В 1955 г. поступил в Ленинградский гидрометеорологический институт. Со студенческой скамьи увлекся проблемами вращения Земли. После окончания института работал в Западно-Сибирском управлении Гидрометеослужбы. С 1966 по 1977 гг. работал научным сотрудником в Государственном астрономическом институте им. П.К.Штернберга. В 1967 г. защитил кандидатскую диссертацию, а в
1980 г. – докторскую диссертацию по проблемам вращения Земли. С 1977 г. по настоящее время Николай Сергеевич работает в Гидрометцентре России. Сейчас он заведует лабораторией планетарной циркуляции и гелиогеофизических исследований. Опубликовал более 140 научных работ по проблемам неравномерного вращения Земли, движения полюсов, физики атмосферы, изменений климата, солнечно-земных связей. Книга «Планета Земля», написанная в соавторстве с К.А.Куликовым, была издана дважды (в 1972 и 1977 гг.) в СССР и ГДР. В 2002 г. опубликовал монографии «Физика нестабильностей вращения Земли» и «Атмосферные процессы и вращение Земли». Неоднократно публиковал статьи в журналах «Природа» и «Земля и Вселенная».
Н.С.Сидоренков является членом Международного астрономического союза (МАС). Избран в оргкомитет комиссии МАС «Вращение Земли».