Колебания продолжительности дня

Продолжительность дня ( LOD ), увеличившаяся на протяжении долгой истории Земли из-за приливных эффектов , также подвержена колебаниям в более коротком масштабе времени. Точные измерения времени с помощью атомных часов и спутниковой лазерной локации показали, что уровень детализации подвержен множеству различных изменений. Эти тонкие вариации имеют периоды от нескольких недель до нескольких лет. Их связывают с взаимодействием динамической атмосферы и самой Земли. Международная служба вращения Земли и систем отсчета следит за изменениями.

В отсутствие внешних моментов момент импульса Земли как всей системы должен быть постоянным. Внутренние крутящие моменты возникают из-за относительных движений и перераспределения массы ядра, мантии, коры, океанов, атмосферы и криосферы Земли . Чтобы сохранить общий угловой момент постоянным, изменение углового момента в одной области обязательно должно быть уравновешено изменениями углового момента в других областях.

Движения земной коры (такие как дрейф континентов ) или таяние полярной шапки — это медленные вековые (непериодические) события. По оценкам , характерное время связи между ядром и мантией составляет порядка десяти лет, а так называемые «десятилетние колебания» скорости вращения Земли, как полагают, являются результатом колебаний внутри ядра, передаваемых мантии. ^[1]Длина дня (LOD) существенно меняется даже для временных масштабов от нескольких лет до недель (рисунок), а наблюдаемые колебания LOD - после устранения воздействия внешних моментов - являются прямым следствием действия внутренних моментов. . Эти кратковременные колебания, весьма вероятно, вызваны взаимодействием твердой Земли и атмосферы.

Продолжительность дня на других планетах также варьируется, особенно на планете Венера , которая имеет настолько динамичную и сильную атмосферу, что продолжительность дня колеблется до 20 минут. ^[2]

Наблюдения [ править ]

Любое изменение осевой составляющей атмосферного момента количества движения (ААМ) должно сопровождаться соответствующим изменением момента количества движения земной коры и мантии (в силу закона сохранения момента количества движения). Поскольку на момент инерции системы мантия-кора нагрузка атмосферного давления оказывает лишь незначительное влияние, то для этого главным образом требуется изменение угловой скорости твердой Земли; т.е. изменение LOD. В настоящее время LOD можно измерить с высокой точностью за время интегрирования всего в несколько часов. ^[3] и модели общей циркуляции атмосферы позволяют с высокой точностью определять изменения ААМ в модели. ^[4]Сравнение между AAM и LOD показывает, что они сильно коррелируют. В частности, выделяют годовой период LOD с амплитудой 0,34 миллисекунды с максимумом 3 февраля и полугодовой период с амплитудой 0,29 миллисекунды с максимумом 8 мая. ^[5]а также 10‑дневные колебания порядка 0,1 миллисекунды. Также наблюдались межсезонные колебания, отражающие явления Эль-Ниньо , и квазидвухлетние колебания. ^[6] В настоящее время существует общее мнение, что большинство изменений LOD во временных масштабах от недель до нескольких лет вызваны изменениями в AAM. ^[7]

Обмен угловым моментом [ править ]

Одним из средств обмена угловым моментом между атмосферой и негазовыми частями Земли являются испарение и осадки. Круговорот воды перемещает огромные количества воды между океанами и атмосферой. По мере того как масса воды (пара) поднимается, ее вращение должно замедляться из-за сохранения углового момента. Точно так же, когда идет дождь, скорость его вращения увеличивается для сохранения углового момента. Любой чистый глобальный перенос массы воды из океанов в атмосферу или наоборот подразумевает изменение скорости вращения твердой/жидкой Земли, что будет отражено в LOD. ^{[ нужна цитата ]}

Данные наблюдений показывают, что между изменением AAM и соответствующим изменением LOD нет значительной временной задержки в течение периодов, превышающих примерно 10 дней. Это подразумевает сильную связь между атмосферой и твердой Землей из-за поверхностного трения с постоянной времени около 7 дней, времени замедления вращения слоя Экмана . Это время замедления вращения является характерным временем передачи осевого углового момента атмосферы к поверхности Земли и наоборот.

Зональная составляющая ветра на Земле, наиболее эффективная для передачи осевого углового момента между Землей и атмосферой, является составляющей, описывающей жесткое вращение атмосферы. ^[8]Зональный ветер этой компоненты имеет амплитуду u на экваторе относительно Земли, где u > 0 указывает на сверхвращение, а u < 0 указывает на ретроградное вращение относительно твердой Земли. Все остальные ветровые составляющие просто перераспределяют ААМ по широте, и этот эффект сводится на нет при усреднении по земному шару.

Поверхностное трение позволяет атмосфере «подбирать» угловой момент от Земли в случае ретроградного вращения или передавать его Земле в случае сверхвращения . При усреднении по более длительным временным масштабам обмена ААМ с твердой Землей не происходит. Земля и атмосфера разделены. Это означает, что зональная составляющая ветра на уровне земли, ответственная за жесткое вращение, должна быть в среднем равна нулю. Действительно, наблюдаемая меридиональная структура климатического среднезонального ветра на земле показывает западные ветры (с запада) в средних широтах за пределами примерно ±30°. ^Оширотные и восточные ветры (с востока) в низких широтах — пассаты , а также вблизи полюсов ( преобладающие ветры ). ^[9] Атмосфера воспринимает угловой момент от Земли в низких и высоких широтах и передает такое же количество Земле в средних широтах.

Любое кратковременное колебание жестко вращающейся зональной компоненты ветра сопровождается соответствующим изменением LOD. Чтобы оценить порядок величины этого эффекта, можно считать, что вся атмосфера жестко вращается со скоростью u (в м/с) без поверхностного трения. Тогда это значение связано с соответствующим изменением продолжительности дня $Δ τ$ (в миллисекундах) как ^{[ нужна цитата ]}

$u\approx 2.7\Delta \tau .$

Годовая составляющая изменения длины дня $Δ τ \approx 0,34$ мс соответствует тогда сверхвращению $u \approx 0,9$ м/с, а полугодовая составляющая $Δ τ \approx 0,29$ мс – $u \approx 0,8$ м/с.

См. также [ править ]

Атмосферное супервращение

Ссылки [ править ]

^ Хиде, Р. (1989). «Колебания вращения Земли и топография границы ядро-мантия». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 328 (1599): 351–363. Бибкод : 1989RSPTA.328..351H . дои : 10.1098/rsta.1989.0040 . S2CID 119559370 .
^ Уитт, Келли Кайзер (5 мая 2021 г.). «Продолжительность дня на Венере постоянно меняется – Космос» . ЗемляНебо . Проверено 29 апреля 2023 г.
^ Робертсон, Дуглас (1991). «Геофизические применения интерферометрии со сверхдлинной базой» . Обзоры современной физики . 63 (4): 899–918. Бибкод : 1991РвМП...63..899Р . дои : 10.1103/RevModPhys.63.899 .
^ Юбэнкс, ТМ; Степь, ЮА; Дики, Джо; Каллахан, PS (1985). «Спектральный анализ бюджета углового момента Земли». Журнал геофизических исследований . 90 (B7): 5385. Бибкод : 1985JGR....90.5385E . дои : 10.1029/JB090iB07p05385 .
^ Розен, Ричард Д. (1993). «Баланс осевого импульса Земли и ее жидкой оболочки». Исследования в области геофизики . 14 (1): 1–29. Бибкод : 1993SGeo...14....1R . дои : 10.1007/BF01044076 . S2CID 128761917 .
^ Картер, МЫ; Д.С. Робинсон (1986). «Изучение Земли методом интерферометрии со сверхдлинной базой». Научный американец . 255 (5): 46–54. Бибкод : 1986SciAm.255e..46C . дои : 10.1038/scientificamerican1186-46 .
^ Хидэ, Р.; Дики, Джо (1991). «Переменное вращение Земли». Наука . 253 (5020): 629–637. Бибкод : 1991Sci...253..629H . дои : 10.1126/science.253.5020.629 . ПМИД 17772366 . S2CID 32661656 .
^ Волланд, Х. (1996). «Атмосфера и вращение Земли». Исследования в области геофизики . 17 (1): 101–144. Бибкод : 1996SGeo...17..101V . дои : 10.1007/BF01904476 . S2CID 129884741 .
^ Мургатройд, Р.Дж., . Структура и динамика стратосферы, Коби Г.А. (редактор): Глобальная циркуляция атмосферы , Рой. Встретил. Soc., Лондон, с. 159, 1969 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

Ламбек, Курт (2005). Переменное вращение Земли: геофизические причины и последствия (В цифровом формате 1-е изд. ПБК). Кембридж: Издательство Кембриджского университета . ISBN 9780521673303 .

[1] Хиде, Р. (1989). «Колебания вращения Земли и топография границы ядро-мантия». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 328 (1599): 351–363. Бибкод : 1989RSPTA.328..351H . дои : 10.1098/rsta.1989.0040 . S2CID 119559370 .

[EarthSky_Updates_on_your_cosmos_and_world_2021-2] Уитт, Келли Кайзер (5 мая 2021 г.). «Продолжительность дня на Венере постоянно меняется – Космос» . ЗемляНебо . Проверено 29 апреля 2023 г.

[3] Робертсон, Дуглас (1991). «Геофизические применения интерферометрии со сверхдлинной базой» . Обзоры современной физики . 63 (4): 899–918. Бибкод : 1991РвМП...63..899Р . дои : 10.1103/RevModPhys.63.899 .

[4] Юбэнкс, ТМ; Степь, ЮА; Дики, Джо; Каллахан, PS (1985). «Спектральный анализ бюджета углового момента Земли». Журнал геофизических исследований . 90 (B7): 5385. Бибкод : 1985JGR....90.5385E . дои : 10.1029/JB090iB07p05385 .

[5] Розен, Ричард Д. (1993). «Баланс осевого импульса Земли и ее жидкой оболочки». Исследования в области геофизики . 14 (1): 1–29. Бибкод : 1993SGeo...14....1R . дои : 10.1007/BF01044076 . S2CID 128761917 .

[6] Картер, МЫ; Д.С. Робинсон (1986). «Изучение Земли методом интерферометрии со сверхдлинной базой». Научный американец . 255 (5): 46–54. Бибкод : 1986SciAm.255e..46C . дои : 10.1038/scientificamerican1186-46 .

[7] Хидэ, Р.; Дики, Джо (1991). «Переменное вращение Земли». Наука . 253 (5020): 629–637. Бибкод : 1991Sci...253..629H . дои : 10.1126/science.253.5020.629 . ПМИД 17772366 . S2CID 32661656 .

[Volland-8] Волланд, Х. (1996). «Атмосфера и вращение Земли». Исследования в области геофизики . 17 (1): 101–144. Бибкод : 1996SGeo...17..101V . дои : 10.1007/BF01904476 . S2CID 129884741 .

[Murgatroyd-9] Мургатройд, Р.Дж., . Структура и динамика стратосферы, Коби Г.А. (редактор): Глобальная циркуляция атмосферы , Рой. Встретил. Soc., Лондон, с. 159, 1969 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]