VIVOS VOCO: Н.С.Сидоренков, "Природа нестабильностей вращения Земли"

Природа нестабильностей
вращения Земли

Н.С.Сидоренков

Николай Сергеевич Сидоренков, доктор физико-математических наук,
зав. лаб. планетарной циркуляции и гелиогеофизических исследований Гидрометцентра России.

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.

Таким образом, изучение неравномерности вращения Земли, 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.

Астрономические наблюдения

В 123 г. до н.э. Гиппарх открыл явление прецессии - предварение равноденствий. В 1755 г. Дж.Брадлей обнаружил другое явление - нутации оси вращения Земли. 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. Во второй половине XIX в. получены свидетельства нерегулярных флуктуаций скорости вращения Земли и движения географических полюсов. С тех пор за этими процессами ведутся постоянные наблюдения.

Об изменении скорости вращения Земли наиболее просто судить по отклонению dP длительности земных суток от эталонных (которые принимаются равными 86400 с). Чем быстрее движется Земля, тем короче земные сутки.

Земля, вращающаяся вокруг своей оси, это своего рода часы, а звезды и светила на небесной сфере - деления циферблата. Вместе с Землей вращаются и телескопы; направив их на то или иное светило (координаты которого содержатся в астрономических каталогах), можно отсчитать 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 (сейчас относительная ошибка около 10^–14), что с их помощью проверяется ход часов “Земля”. Такая проверка, ведущаяся в Международном бюро времени с 1955 г., показывает, что они идут не лучшим образом - иногда спешат, а иногда отстают. Плохой ход часов “Земля” вызван непостоянством скорости вращения планеты.

До создания атомных часов ход часов “Земля” контролировался лишь сравнением координат Луны, Солнца и планет, установленных путем наблюдения и вычисления (в соответствии с небесно-механическими теориями). Так удалось получить представление о характере изменений скорости вращения Земли в течение последних трех столетий - с конца XVII в., когда астрономы стали вести первые инструментальные наблюдения за движением Луны, Солнца и планет (рис. 1). Выяснилось, что с начала XVIII до середины XIX в. скорость вращения Земли менялась мало, а со второй половины XIX в. и по настоящее время отмечаются значительные нерегулярные флуктуации угловой скорости вращения Земли с периодом порядка 60-70 лет. Наиболее быстро Земля вращалась около 1870 г. (тогда длительность земных суток была на 0.003 с короче эталонных), наиболее медленно - около 1903 г. (земные сутки были длиннее эталонных на 0.004 с). С 1903 по 1934 г. вращение Земли ускорялось, с конца 30-х годов до 1972 г. - замедлялось, а начиная с 1973 г. Земля снова ускоряет свое движение вокруг оси. Колебание угловой скорости вращения Земли, наблюдавшееся в XX в. с 1903 по 1972 г., часто считают 60-70-летним; в XIX в. колебание примерно того же периода относится к 1845-1903 гг.; в более раннюю эпоху 60-70-летние колебания не прослеживаются. К сожалению, данные XVII-XVIII вв. имеют низкое разрешение, так как тогда интервалы времени между эпизодическими наблюдениями достигали иногда 29 лет.

Рис. 1. Отклонения dP длительности суток от эталонных (P = 86 400 с) за последние 350 лет.

Точность определения неравномерности вращения Земли радикально улучшилась с 1955 г. - как только стали пользоваться атомными часами. С этого момента появилась возможность регистрировать все колебания скорости вращения Земли с периодами более одного месяца. Ход среднемесячных величин скорости вращения Земли за период 1955-2003 гг. иллюстрирует рис. 2. Ускорение вращения в 1958-1961 гг. и замедление в 1989-1994 гг. представляют собой кратковременные флуктуации. На фоне многолетних изменений хорошо видны сезонные колебания: наименьшая скорость вращения Земли - в апреле и ноябре, наибольшая - в январе и июле. Январский максимум значительно меньше июльского. Разность между минимальным отклонением длительности земных суток от эталонных в июле и максимальным в апреле или ноябре составляет 0.001 с.

Рис. 2. Среднемесячные отклонения dP земных суток от эталонных за последние 45 лет. Видно, что с 1956 по 1961 г. вращение Земли ускорялось, а с 1962 по 1972 г. - замедлялось и с 1973 г. по настоящее время - снова ускоряется. Замедление, закончившееся в 1972 г., началось в 1935 г., т.е. за пределами изображенного интервала. Ускорение, возникшее в 1973 г., вероятно, продлится до 2005-2010 гг.

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.

В 80-е годы наблюдения в оптические телескопы стали дополняться новыми методами измерений: с помощью радиоинтерферометров со сверхдлинными базами, лазерной локации спутников и Луны, системы глобального позиционирования (GPS) и т.д. Точность определения Всемирного времени увеличилась на два порядка. В итоге стало возможным изучать колебания скорости вращения Земли с периодами до суток, а в настоящее время - до нескольких часов. На рис. 3 воспроизведен ход отклонений длительности суток в 2000-2003 гг. с дискретностью в одни сутки (по данным Международной службы вращения Земли).

Рис. 3. Ход отклонений длительности суток dP в 2000-2003 гг. с дискретностью в одни сутки. 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.

Эффективным инструментом исследования периодических процессов оказался спектральный анализ. Он заключается в том, чтобы, во-первых, представить изучаемые колебания в виде суммы элементарных гармоник, а во-вторых, выявить зависимость средних квадратов амплитуд этих гармоник от их частоты или периода, т.е. найти спектральную функцию или просто спектр. В спектре приливных колебаний скорости вращения Земли выделяются компоненты с периодами: год, полгода, 13.7, 27.3, 9.1 сут, 24, 12, 8, 6 ч. Спектральный анализ всего 350-летнего ряда среднегодовых значений dP 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 мс.

Изменяется не только угловая скорость Земли - наша планета качается относительно оси вращения. Поэтому точки, в которых ось пересекает земную поверхность, - мгновенные географические полюса Земли - движутся. Они перемещаются по земной поверхности вокруг среднего многолетнего (за 6 лет) полюса в направлении вращения Земли, т.е. с запада на восток. Траектория движения мгновенного полюса имеет вид спирали, которая периодически то закручивается, то раскручивается. Для примера на рис. 4 показана траектория движения Северного полюса за 1996-2000 гг.

Рис. 4. Траектория движения Северного географического полюса в 1996-2000 гг. Цветная кривая - траектория среднего полюса с 1890 по 2000 гг. (по данным Международной службы вращения Земли, 2000). Максимальное удаление мгновенного полюса от среднего отмечалось в 1996 г. Затем полюс стал закручиваться и в 2000 г. подошел на минимальное расстояние к центру спирали. С 2000 по 2003 г. полюс раскручивался, а сейчас снова закручивается, постепенно перемещаясь по спирали к своему среднему положению.

Самое большое удаление мгновенного полюса от среднего не превышает 15 м. Закручивание и раскручивание траектории мгновенного 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 мес, и вынужденное с годовым периодом. Чандлеровское движение возникает, когда ось вращения Земли отклоняется от оси ее наибольшего момента инерции. Вынужденное движение вызывается действием на Землю периодических сил со стороны атмосферы и гидросферы, имеющих годовую цикличность. Период свободного движения зависит от динамического сжатия и упругих свойств Земли, а не от периода возбуждающей силы, как это характерно для вынужденного движения. Сложение этих двух периодических движений и дает наблюдаемую картину биений [1].

Анализ координат мгновенного 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 изменялись от 205° до 145°в.д. Чандлеровское движение полюса, по тем же данным, происходит почти по круговой траектории. Оно характеризуется еще большей изменчивостью параметров. Радиус свободного движения имеет амплитудную модуляцию с периодом около 40 лет. Максимальные значения радиуса (9 м) наблюдались около 1915 и 1955 г., а глубокий минимум (2 м) - около 1930 г. Из-за этого в спектрах координат мгновенного полюса возле основного пика на чандлеровской частоте 1/(1.18 г.) имеется боковой пик на частоте 1/(1.24 г.).

На рис. 4 видно, что центр спирали находится в стороне от исходной точки - международного условного начала координат. Причина тому - так называемое вековое движение географического полюса. Если из спектра координат мгновенного полюса отфильтровать годовую и чандлеровскую составляющие, можно получить координаты среднего полюса. Оказывается, он тоже смещается. В течение всего периода наблюдений средний полюс двигался по сложной зигзагообразной кривой со скоростью около 10 см в год с преобладающим направлением в сторону Северной Америки (меридиан 290°в.д.).

Чем вызваны периодические колебания?

Фигура Земли близка к эллипсоиду вращения. Когда Луна и Солнце не лежат в плоскости земного экватора, их силы 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 25 700 лет (скорость движения 1° за 72 года).

Рис. 5. Схема движения оси вращения Земли в пространстве с точки зрения земного наблюдателя. Полюс мира Р движется (прецессирует) вокруг полюса эклиптики П с периодом 25 700 лет и кроме того совершает небольшие нутационные движения с периодами от 18.6 года до 4 сут.

Моменты сил притяжения, которые действуют на экваториальные вздутия, меняются в зависимости от положений Луны и Солнца по отношению к Земле. Когда Луна и Солнце находятся в плоскости земного экватора, моменты сил исчезают, а когда склонения Луны и Солнца максимальны, то и величина момента наибольшая. Вследствие колебаний моментов сил тяготения наблюдаются нутации оси вращения Земли, которые складываются из ряда небольших периодических колебаний. В теории нутации учитываются в настоящее время свыше 1000 членов. Главнейший 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 18.4ўў; малая параллельна ему и равна 13.7ўў. Далее по величине амплитуды идут члены с периодом 0.5 г., 13.7 сут, 9.3 г., 1 г., 27.6 сут и т.д. Из-за них траектория имеет вид “тонких кружев” (показано на увеличенном фрагменте в левой части рис. 5). Таким образом, ось вращения Земли описывает на небесной сфере сложную волнообразную траекторию, точки которой находятся на угловом расстоянии в среднем около 23°27ў от 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 этом в океанах и в теле планеты возникают силы трения, которые тормозят вращение Земли, благодаря чему и происходит ее вековое замедление. По оценкам, сутки должны удлиняться из-за этого на 0.003 с за 100 лет. Таким образом, неравномерности вращения Земли, представленные на рис.1 и 2, почти не связаны с влиянием приливного трения, а вызываются другими причинами.

Земные приливы играют заметную роль и в колебаниях скорости вращения Земли с периодом 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 шарообразной планеты. А поскольку момент импульса Земли (т.е. произведение ее момента инерции на угловую скорость) должен оставаться постоянным, то скорость вращения сжатой Земли меньше, чем недеформированной. При движении Луны и системы Земля-Луна постоянно меняются склонения Луны и Солнца и расстояния от Земли до Луны и Солнца. Поэтому приливообразующая сила колеблется во времени. Соответствующим образом меняется сжатие Земли, что в конечном итоге и вызывает приливную неравномерность ее вращения. Наиболее значительны колебания скорости вращения с полумесячным и месячным периодами.

Чем же обусловлены неприливная неравномерность вращения Земли и движение полюсов? В принципе на вращение Земли могут влиять очень многие процессы: 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.

В течение года массы воздуха и влаги (воды, снега и льда) перераспределяются между материками и океанами, а также между Северным и Южным полушариями. Так, над Евразией масса воздуха в январе на 6·10¹⁵ кг больше, чем в июле. С января по июль из Северного полушария в Южное переносится 4·10¹⁵ кг воздуха. В течение всей зимы происходит накопление снега в северных районах Евразии и Северной Америки, весной же снег тает, и влага возвращается в Мировой океан. Все это меняет момент инерции Земли и в какой-то степени сказывается на ее вращении. Оценки показывают, что сезонное перераспределение воздушных и водных масс мало влияет на сезонную неравномерность вращения Земли, но почти полностью обусловливает вынужденное движение географических полюсов с годовым периодом.

Чандлеровское движение полюсов возникает, как мы уже отмечали, когда ось вращения Земли отклоняется от оси наибольшего момента инерции планеты. Однако оно должно со временем затухать, так как энергия свободного движения полюсов преобразуется в тепло. Отсутствие затухания свободного движения полюсов указывает на то, что существуют некие 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. Как удалось показать [2], атмосфера, океан и Земля совершают согласованные колебания. Так, квазидвухлетняя цикличность и южная осцилляция атмосферы, явления Эль-Ниньо и Ла-Нинья в океане, чандлеровское колебание и главная нутация Земли имеют соизмеримые частоты, кратные частоте Чандлера 1/(1.2 г.). Поэтому свободное движение географических полюсов может поддерживаться за счет комбинационных резонансов в системе Земля-океан-атмосфера.

Главная причина сезонной неравномерности вращения Земли - это атмосферная циркуляция [3]. Известно, что в среднем атмосфера движется относительно земной поверхности в низких широтах с востока на запад (дуют восточные ветры), а в умеренных и высоких - с запада на восток (преобладают западные ветры). Момент импульса восточных ветров отрицателен, а западных - положителен. Можно было бы думать, что эти моменты компенсируют друг друга и момент импульса ветров всей атмосферы всегда равен нулю. Однако расчеты показывают, что у восточных ветров данная величина в несколько раз меньше, чем у западных [3]. Поэтому момент импульса ветров всей атмосферы не равен нулю, а составляет в среднем за год +14·10²⁵ кг·м²·с^–1. Его величина меняется в течение года от +16.1·10²⁵ кг·²·с^–1 в апреле и ноябре до +10.9·10²⁵ кг·²·с^–1 в 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 твердой Землей. Когда момент импульса атмосферы увеличивается, т.е. усиливаются западные ветры или ослабевают восточные, момент импульса тела Земли снижается, т.е. замедляется ее вращение. Когда же момент импульса атмосферы уменьшается (ослабевают западные или усиливаются восточные ветры), вращение Земли ускоряется. Степень согласия изменений моментов импульса атмосферы и Земли в 1958-2001 гг. иллюстрирует рис. 6. Тот факт, что суммарный момент импульсов Земли и атмосферы всегда остается неизменным, может служить хорошей иллюстрацией справедливости закона сохранения момента импульса не только в лабораторных экспериментах, но и в глобальных масштабах.

Рис. 6. Ход относительного момента импульса атмосферы h (цветная кривая) и вычисленных (с обратным знаком) приращений момента импульса Земли (черная кривая). Обе кривые совпадают в пределах ошибок наблюдений.

Поскольку момент импульса ветров всегда положителен, значит, атмосфера в целом вращается вокруг оси быстрее Земли. Уподобляя движение атмосферы вращению твердого тела, можно сказать, что период ее обращения вокруг оси составляет в апреле и ноябре 23 ч 36 мин, а в августе - 23 ч 45 мин. В среднем за год сутки для атмосферы длятся 23 ч 38 мин, а не 23 ч 56 мин, как для Земли.

Иногда думают: раз атмосфера обгоняет Землю в суточном вращении, значит, она должна непрерывно ускорять Землю. Однако на неравномерность вращения Земли влияют лишь изменения момента импульса ветров. Постоянная же величина этого момента была заимствована атмосферой у Земли на этапе формирования атмосферной циркуляции. Тогда скорость вращения Земли немного замедлилась (длительность суток возросла на 0.0024 с) и остается таковой в настоящее время. Если иссякнет источник, поддерживающий ветры в атмосфере (Солнце), то атмосферная циркуляция прекратится, момент импульса ветров “стечет” к Земле и длительность суток вернет 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 выполняют в этом случае функции нагревателя, а самые холодные - холодильника. Рабочим телом служит сам воздух. В физике атмосферы сегодня известны несколько тепловых машин. Важнейшие из них - тепловые машины, порождаемые контрастом температур между экватором и полюсами. Известный отечественный геофизик В.В.Шулейкин назвал их тепловыми машинами первого рода [4]. Одна из них работает в Северном полушарии, другая - в Южном. Благодаря этим машинам поддерживаются восточные ветры в низких широтах и западные - в умеренных и высоких. Чем больше контраст температур между экватором и полюсом, 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, а наименьшим - летом. Поэтому момент импульса ветров Северного полушария, удерживаемый тепловой машиной первого рода, совершает гармонические колебания с периодом в один год (от максимального значения в январе до минимального в июле). В Южном полушарии годовое колебание имеет противоположную фазу: момент импульса максимален в июле, а 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 обусловливают появление в атмосфере положительной величины момента импульса ветров, но почти не влияют на его 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, о чем можно подробно прочесть в книге [3]. Было обнаружено, что в верхних слоях атмосферы самой теплой областью является не экватор и не параллель, на которой Солнце в полдень находится 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 служит атмосфера летнего полушария, а холодильником - атмосфера зимнего. 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 июле, когда межполушарная тепловая машина действует наиболее интенсивно, момент импульса ветров уменьшается до минимальных значений, а скорость вращения Земли достигает максимальных величин. В апреле и ноябре температурные различия между атмосферой Северного и Южного полушарий выравниваются; межполушарная тепловая машина прекращает свою работу, поэтому в атмосфере удерживается предельно большая величина момента импульса ветров и скорость вращения Земли становится минимальной.

Различие июльского и январского максимумов скорости вращения Земли связано с тем, что атмосфера Северного полушария в среднем за год теплее атмосферы Южного. Поэтому контраст температур между полюсами в июле значительно больше, чем в январе. Если бы подстилающие поверхности в Северном и Южном полушариях были одинаковы, то январский и июльский максимумы 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.

Причины десятилетних изменений

Десятилетние изменения скорости вращения Земли слишком велики, чтобы их можно было объяснить, как и сезонные колебания, перераспределением момента импульса между атмосферой и Землей. Например, замедление скорости вращения с 1870 по 1903 г. было таким, что момент импульса Земли уменьшился на 48·10²⁵ кг·м²·с^–1. Если бы замедление произошло из-за перераспределения момента импульса между Землей и атмосферой, то момент импульса ветров в 1870 г. был бы на 48·10²⁵ кг·м²·с^–1 меньше, чем в 1903 г. Другими словами, скорость ветров в атмосфере должна была бы увеличиться более чем в три раза (за 33 года западные ветры должны были постепенно усилиться, а восточные - ослабеть примерно на 20 м/с). Однако столь больших десятилетних колебаний атмосферной циркуляции нет. Не удается объяснить десятилетнюю неравномерность вращения Земли и за счет изменений момента ее инерции: необходимых для этого изменений просто не наблюдается. Поэтому считают, что долгопериодическая неравномерность вращения Земли не может вызываться геофизическими процессами, протекающими на земной поверхности. Обычно ее связывают с внутриземными процессами, такими как взаимодействие ядра и мантии Земли. В пользу этой гипотезы свидетельствует тесная корреляция между изменениями скорости вращения Земли и флуктуациями скорости дрейфа эксцентричного магнитного диполя Земли с характерным временем порядка 60 лет. В последние годы получен ряд эмпирических фактов, которые заставляют по-новому взглянуть на эту проблему. Расскажем о них по порядку.

Влияние атмосферы на вращение Земли можно оценить не только в результате подсчета изменения момента инерции и момента импульса атмосферы, но и путем вычисления моментов сил, действующих на Землю со стороны атмосферы. К ним, как известно, относятся силы трения ветра о подстилающую поверхность и силы давления на горные хребты, которые, подобно парусам, стоят на пути ветров. Чтобы определить моменты этих сил, требуются данные о полях ветра или атмосферного давления в приземном слое над всей Землей. Зная суммарный момент сил, легко рассчитать ускорение и неравномерность вращения Земли. Автор воспользовался таким методом и вычислил неравномерность вращения Земли за 1956-1977 гг. по данным о полях среднемесячного атмосферного давления на уровне моря над всем земным шаром за указанный период.

Расчеты показали, что не только сезонная, но и долгопериодическая неравномерность вращения Земли могла быть вызвана 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 многолетней неравномерности вращения Земли. В то же время изменений момента импульса ветров, необходимых для выполнения баланса, не наблюдается. Следовательно, должен быть какой-то “поставщик” момента импульса в атмосферу. Естественно предположить, что атмосфера получает его либо из околоземного космического пространства, либо от Земли - в процессе многолетнего перераспределения воды между океаном и сушей. Оценки показали, что поток момента импульса из космоса за счет солнечного ветра и воздействия межпланетного магнитного поля пренебрежимо мал, и поэтому дальнейшие усилия были направлены на исследование роли перераспределения воды.

Как известно, около 2% всей влаги на Земле находится в замерзшем состоянии (в основном в виде льда). Общая масса льда в современную эпоху равна около 28.4·10¹⁸ кг; из этого объема 90% приходится на ледниковый щит Антарктиды, 9% - на ледник Гренландии и менее 1% - на все остальные горные ледники. Площади ледниковых щитов составляют: в Антарктиде 13.9·10¹²м², в Гренландии 1.8·10¹²м², на горные ледники приходится 0.5·10¹²м².

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 (около тысячи лет назад) ледниковый щит Гренландии имел существенно меньшую массу, чем ныне. Такое перераспределение воды между Мировым океаном и ледниковыми щитами неизбежно сопровождалось изменением момента инерции Земли и должно было приводить к неравномерности ее вращения и движению полюсов.

Теория позволяет получить систему алгебраических уравнений, которые связывают скорость вращения Земли и координаты географического полюса с массами антарктического и гренландского льдов и с массой воды в Мировом океане. С помощью этих уравнений решаются две задачи. Если известны массы льда в Антарктиде и Гренландии и воды в Мировом океане, можно вычислить характеристики вращения Земли - координаты географического полюса и скорость вращения. Если же эти массы неизвестны, но имеются данные о нестабильностях вращения Земли, можно решить обратную задачу: по координатам полюса и скорости вращения найти ежегодные объемы масс льда в Антарктиде, Гренландии и воды в Мировом океане. На основе данных о вращении Земли за последние 110 лет автор решил обратную задачу [1]. 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 сравнить расчетную кривую с эмпирической (рис.7). Их качественное согласие оказалось столь хорошим, что связь многолетней неравномерности вращения Земли с флуктуациями глобального водообмена представляется вполне вероятной. Однако вычисленные колебания глобального водообмена почти в 29 раз больше наблюдаемых.

Рис. 7. Изменение во времени отклонения удельной массы льда в Антарктиде xA
(черная кривая - теоретические величины, цветная кривая - эмпирические данные).

Этот противоречивый результат, возможно, свидетельствует о том, что наблюдаемые десятилетние особенности вращения не связаны с неравномерностью вращения и движения полюсов всей Земли, а лишь отражают 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. При астрономических наблюдениях изменение скорости дрейфа литосферы регистрируется как “неравномерность вращения Земли” и “движение полюсов”. Но для достижения таких кажущихся эффектов требуется перераспределение масс воды, в 29 раз меньшее, чем для существующих в действительности. В пользу этой гипотезы свидетельствует неоднократно отмечаемая корреляция сейсмической активности с неравномерностью вращения Земли.

Состояние ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии зависит от динамики климата. Поэтому флуктуации вращения Земли могут коррелировать с вариациями климатических характеристик и индексов. И такая связь найдена [1, 5]. Установлена тесная корреляция десятилетних флуктуаций вращения Земли с изменениями эпох атмосферной циркуляции, колебаниями глобальной температуры воздуха, региональных осадков и облачности и даже с колебаниями уловов промысловых рыб в Тихом океане. Замечено, что каждому режиму вращения Земли соответствует своя преобладающая форма атмосферной циркуляции (отечественный метеоролог Г.Я.Вангенгейм обозначил их латинскими буквами W, E, C) и, следовательно, свой режим погоды в различных районах земного шара. На рис. 8 приведен ход изменений скорости вращения Земли, температуры воздуха в Северном полушарии и накопленных за 1891-1998 гг. аномалий повторяемости синоптических процессов типа С в атмосфере.

Рис. 8. Синхронные изменения отклонений длительности земных суток dP от эталонных (черная кривая), накопленных аномалий годового числа дней с синоптическими процессами типа С (серая кривая) и скользящих десятилетних аномалий Dt температуры воздуха Северного полушария после исключения тренда и увеличения в 1000 раз (цветная кривая). 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 вызывают колебания скорости вращения мантии. При этом суммарный момент импульса Земли остается постоянным. С другой стороны, существует тесная связь между десятилетними флуктуациями вращения Земли и вариациями климатических и гляциологических характеристик. Но процессы в ядре Земли не могут влиять на смену эпох атмосферной циркуляции, на флуктуации температуры воздуха, атмосферные осадки, состояние ледников и другие 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, притяжение Луной, Солнцем и планетами несферичных, неоднородных оболочек Земли, занимающих эксцентричные положения, приводит к вынужденным перемещениям масс из-за относительного смещения и колебания их центров. Весь комплекс возникающих при этом в земных оболочках явлений можно для краткости назвать обобщенными приливами.

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

Учет эффектов вращения Земли в гидрометеорологии

Изучение неравномерности вращения Земли и движения географических полюсов перспективно в целях решения обратных задач. Дело в том, что определять колебания глобальных характеристик атмосферы или гидросферы значительно сложнее, нежели отражающих их колебаний скорости вращения Земли и движения географических полюсов. Так, чтобы один раз вычислить момент импульса ветров, необходимо собрать данные о распределении ветра по высоте со всех аэрологических станций мира, произвести их объективный анализ (т.е. интерполяцию и экстраполяцию) и взять численным путем интеграл по объему атмосферы. Данные же о сезонных колебаниях угловой скорости вращения Земли позволяют без труда и почти с такой же точностью определить колебания момента импульса ветров; для этого достаточно учесть лишь некоторые известные поправки (см. рис. 6).

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.

Десятилетние флуктуации скорости вращения Земли и вековое движение полюса могут использоваться для расчета изменений масс льда в Антарктиде, Гренландии и объема воды в Мировом океане (см. рис. 7). По этим же флуктуациям можно следить и в какой-то степени прогнозировать колебания климата. Дело в том, что периоды ускорений вращения Земли (когда длительность суток уменьшается) совпадают с эпохами отрицательных аномалий частоты появления атмосферной циркуляции типа С и положительных аномалий атмосферной циркуляции комбинированного типа W+E (по Вангенгейму). В эти периоды увеличивается масса льда в Антарктиде, ослабевает интенсивность зональной циркуляции, повышается темп роста температуры в Северном полушарии, преобладают положительные аномалии глобальной облачности, нарастают уловы промысловых рыб в Тихом океане (см. рис. 8). В периоды замедлений скорости вращения Земли в одних районах земного шара становится теплее и суше, в других - прохладнее и более влажно; атмосферная циркуляция типа C возникает чаще, а W+E - реже обычного; масса льда в Антарктиде уменьшается; снижается темп роста глобальной температуры; отмечаются отрицательные аномалии глобальной облачности; от года к году сокращаются 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 погодная эпоха с характерными для этого периода изменениями, рассмотренными выше.

Как уже отмечалось, 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 большинство 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. Естественные синоптические периоды совпадают с режимами вращения Земли. Приливные колебания скорости вращения Земли обусловлены лунно-солнечными зональными приливами. Значит, и естественные синоптические периоды вызваны зональными приливами. Для проверки этого вывода были вычислены спектры вариаций момента импульса атмосферы - они четко показали преобладание гармоник зональных приливов. Так автором было сделано открытие, заключающееся в том, что эволюция синоптических процессов в атмосфере происходит не только за счет внутренней динамики климатической системы, но и под управлением внешнего дирижера - лунно-солнечных зональных приливов [6]. Естественные синоптические периоды обусловлены колебаниями приливных сил, а смены этих периодов происходят в соответствии с изменениями знака приливных сил.

Благодаря этому открытию стало возможным прогнозировать границы естественных синоптических периодов по предвычисленным приливным колебаниям скорости вращения Земли с любой заблаговременностью. Нами разработан “Способ прогноза гидрометеорологических характеристик”, зарегистрированный в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 мая 2002 г. [7]. Наша методика прогнозирования принципиально отличается от тех, которыми повсеместно пользуются синоптики-долгосрочники; она позволяет составлять метеорологические прогнозы с суточным разрешением и на срок до одного года. Оправдываемость прогнозов температуры воздуха составляет около 75%. В качестве примера на рис. 9 приведен прогноз среднесуточной температуры воздуха в г. Москве на 2004 г.

Рис. 9. Прогноз среднесуточной температуры воздуха в г. Москве на 2004 г.
Цифрами на графике отмечены календарные даты ожидаемых экстремумов.

Мы полагаем, что эту методику можно использовать для прогнозирования и природных, и социальных явлений: сейсмичности, извержений вулканов, экономических кризисов, вспышек эпидемий, социальных волнений… 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 выявить совпадения и закономерности природно-социальных катаклизмов, но и сделать их вероятностный прогноз.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 02-02-16178.

Литература

1. Сидоренков Н.С. Физика нестабильностей вращения Земли. М., 2002.

2. Сидоренков Н.С. Межгодовые колебания системы атмосфера-океан-Земля // Природа. 1999. №7. С.26-34.

3. Сидоренков Н.С. Атмосферные процессы и вращение Земли. СПб., 2002.

4. Шулейкин В.В. Взаимодействие звеньев в системе “Океан-Атмосфера-Материки” // Природа. 1971. №10. С.12.

5. Lambeck K. The Earth’s Variable Rotation: Geophysical Causes and Consequences. Cambridge, 1980.

6. Сидоренков Н.С. // Земля и Вселенная. 2003. №5. С.3-9.

7. Сидоренков Н.С., Сидоренков П.Н. Патентное изобретение №2182344. 10 мая 2002 г.