Полярное движение
Полярное движение Земли — это движение оси вращения Земли относительно ее коры . [2] : 1 Это измеряется относительно системы отсчета, в которой зафиксирована твердая Земля (так называемая геоцентрическая, геофиксированная или ECEF система отсчета). Это изменение составляет несколько метров на поверхности Земли.
Анализ
[ редактировать ]Движение полюса определяется относительно условно определенной базовой оси, CIO ( Conventional International Origin ), представляющей собой среднее положение полюса за 1900 год. Оно состоит из трех основных компонентов: свободных колебаний, называемых чандлеровским колебанием , с периодом около 435 дней. , годовое колебание и неравномерный дрейф в направлении 80-го меридиана запада, [3] который в последнее время был менее крайне западным. [4] [5] : 1
Причины
[ редактировать ]Медленный дрейф, составлявший около 20 м с 1900 года, частично обусловлен движениями в ядре и мантии Земли, частично — перераспределением водной массы по мере таяния ледникового щита Гренландии , а также изостатическим отскоком , т. е. медленным подъемом суши, которое было ранее отягощенные ледниковыми покровами или ледниками. [2] : 2 Дрейф происходит примерно вдоль 80-го меридиана запада . Примерно с 2000 года полюс обнаружил менее экстремальный дрейф, который проходит примерно вдоль центрального меридиана. Этот менее резкий дрейф движения на запад объясняется массовым переносом глобального масштаба между океанами и континентами. [5] : 2
Сильные землетрясения вызывают резкое движение полюсов, изменяя объемное распределение твердой массы Земли. Эти сдвиги весьма малы по величине по сравнению с долговременными компонентами ядра/мантии и изостатического отскока полярного движения. [6]
Принцип
[ редактировать ]В отсутствие внешних моментов вектор момента количества движения М вращающейся системы остается постоянным и направлен к неподвижной точке пространства. Если бы Земля была совершенно симметричной и твердой, М оставалась бы на одной линии со своей осью симметрии, которая также была бы ее осью вращения . В случае с Землей она практически совпадает с ее осью вращения, с несоответствием, обусловленным смещением массы на поверхности планеты. Вектор оси фигуры F системы (или максимальной главной оси, оси, которая дает наибольшее значение момента инерции) колеблется вокруг M . Это движение называется Эйлера нутацией свободной . Для твердой Земли, которая в хорошем приближении представляет собой сплющенный сфероид , ось фигуры F будет ее геометрической осью, определяемой географическими северным и южным полюсами и идентичной оси ее полярного момента инерции. Эйлеровский период свободной нутации равен
(1) τ E = 1/ν E = A/(C − A) сидерических дней ≈ 307 сидерических дней ≈ 0,84 сидерических года
ν E = 1,19 — нормированная частота Эйлера (в единицах обратных лет), C = 8,04 × 10 37 кг м 2 — полярный момент инерции Земли, A — ее средний экваториальный момент инерции, C — A = 2,61 × 10. 35 кг м 2 . [2] [7]
Наблюдаемый угол между фигурной осью Земли F и ее угловым моментом M составляет несколько сотен угловых секунд (мсек). Это вращение можно интерпретировать как линейное смещение любого географического полюса на поверхности Земли на несколько метров: 100 мсек составляют дугу длиной 3,082 м, если преобразовать ее в радианы и умножить на Земли полярный радиус (6 356 752,3 м). Используя геометрическую ось в качестве основной оси новой системы координат, закрепленной на теле, можно прийти к уравнению Эйлера гироскопа, описывающему кажущееся движение оси вращения вокруг геометрической оси Земли. Это так называемое полярное движение. [8]
Наблюдения показывают, что ось фигуры демонстрирует годовое колебание, вызванное смещением поверхностной массы за счет динамики атмосферы и/или океана, в то время как свободная нутация намного превышает период Эйлера и составляет порядка 435–445 сидерических дней. Эта наблюдаемая свободная нутация называется чандлеровским колебанием . Существуют, кроме того, полярные движения с меньшими периодами порядка десятилетий. [9] Наконец, наблюдался вековой полярный дрейф примерно на 0,10 м в год в направлении 80° запада, который обусловлен перераспределением массы внутри Земли в результате дрейфа континентов и/или медленных движений внутри мантии и ядра, что приводит к изменениям. момента инерции. [8]
Годовая вариация была обнаружена Карлом Фридрихом Кюстнером в 1885 году путем точных измеренийизменение широты звезд, а С. К. Чандлер обнаружил свободную нутацию в 1891 году. [8] Оба периода накладываются друг на друга, что приводит к частоте биений с периодом примерно от 5 до 8 лет (см. рисунок 1).
Это полярное движение не следует путать с изменением направления оси вращения Земли относительно звезд с разными периодами, вызванным главным образом моментами на Геоиде из-за гравитационного притяжения Луны и Солнца. Их еще называют нутациями , за исключением самой медленной, представляющей собой прецессию равноденствий .
Наблюдения
[ редактировать ]Движение полюсов регулярно наблюдается с помощью методов космической геодезии, таких как интерферометрия со сверхдлинной базой . [10] лунная лазерная локация и спутниковая лазерная локация . [11] Годовая составляющая достаточно постоянна по амплитуде, а ее повторяемость варьируется не более чем на 1–2%. Однако амплитуда чандлеровского колебания изменяется в три раза, а его частота — до 7%. Его максимальная амплитуда за последние 100 лет ни разу не превышала 230 мс.
Чандлеровское колебание обычно рассматривают как явление резонанса, свободной нутации , которая возбуждается источником и затем затухает с постоянной времени τ D порядка 100 лет. Это мера упругой реакции Земли. [12] Это также объяснение отклонения периода Чандлера от периода Эйлера. Однако Чандлеровское колебание, непрерывно наблюдаемое уже более 100 лет, не затухает, а меняет амплитуду и демонстрирует иногда быстрый сдвиг частоты в течение нескольких лет. [13] Это взаимное поведение между амплитудой и частотой описывается эмпирической формулой: [14]
(2) m = 3,7/(ν − 0,816) (при 0,83 < ν < 0,9)
где m - наблюдаемая амплитуда (в единицах мсек), а ν - частота (в единицах обратных сидерических лет) чандлеровского колебания. Чтобы создать колебание Чендлера, необходимо периодическое возбуждение. В качестве таких повторяющихся сил были предложены сейсмическая активность, движение грунтовых вод, снеговая нагрузка или межгодовая динамика атмосферы, например [11] [15] Атмосферное возбуждение кажется наиболее вероятным кандидатом. [16] [17] Другие предполагают сочетание атмосферных и океанических процессов, при этом доминирующим механизмом возбуждения являются колебания давления на дне океана. [18]
Текущие и исторические данные о движении полюсов доступны в разделе вращения Земли и систем отсчета Международной службы параметров ориентации Земли . [19] что при использовании этих данных принято определять p x как положительное значение вдоль долготы 0°, а py Обратите внимание , как положительное значение вдоль долготы 90° в.д. [20]
Теория
[ редактировать ]Годовая составляющая
[ редактировать ]
В настоящее время существует общее мнение, что годовая составляющая движения полюсов представляет собой вынужденное движение, возбуждаемое преимущественно динамикой атмосферы. [21] Существуют две внешние силы, вызывающие движение полюсов: атмосферные ветры и давление. Основной составляющей является давление, представляющее собой стоячую волну вида: [17]
(3) р = р 0 Θ 1
−3 (θ) cos[2πν A (t − t 0 )] cos(λ − λ 0 )
при p 0 – амплитуда давления, Θ 1
−3 функция Хафа, описывающая широтное распределение атмосферного давления на земле, θ географическая широта, t время года, t 0 временная задержка, ν A = 1,003 нормированная частота одного солнечного года, λ долгота и λ 0 — долгота максимального давления. Функция Хафа в первом приближении пропорциональна sin θ cos θ. Такая стоячая волна представляет собой сезонно меняющуюся пространственную разницу давления на поверхности Земли. Зимой на севере наблюдается высокое давление над северной частью Атлантического океана и низкое над Сибирью с разницей температур порядка 50°, а летом наоборот, что приводит к несбалансированному распределению массы на поверхности Земли. Положение вектора m годовой компоненты описывает эллипс (рис. 2). Рассчитанное соотношение между большой и малой осями эллипса равно
(4) м 1 /м 2 = ν C
где ν C — частота чандлеровского резонанса. Результат хорошо согласуется с наблюдениями. [2] [22]
Из рисунка 2 вместе с уравнением (4) получаем ν C = 0,83 , что соответствует периоду чандлеровского резонанса
(5) τ C = 441 сидерический день = 1,20 сидерического года
p 0 = 2,2 гПа , λ 0 = -170° широты максимального давления и t 0 = -0,07 года = -25 дней .
Трудно оценить влияние океана, который может несколько увеличить величину максимального давления на грунт, необходимого для создания годового колебания. По оценкам, этот эффект океана составляет порядка 5–10%. [23]
Чендлер раскачивается
[ редактировать ]Маловероятно, чтобы внутренние параметры Земли, ответственные за чандлеровское колебание, зависели от времени на таких коротких интервалах времени. Более того, наблюдаемая стабильность годовой составляющей противоречит любой гипотезе о переменной частоте чандлеровского резонанса. Одним из возможных объяснений наблюдаемого частотно-амплитудного поведения может быть вынужденное, но медленно меняющееся квазипериодическое возбуждение межгодовой динамикой атмосферы. Действительно, в совместных моделях общей циркуляции океана и атмосферы был обнаружен квази14-месячный период. [24] региональный 14-месячный сигнал региональной температуры поверхности моря . и наблюдался [25]
Чтобы описать такое поведение теоретически, нужно начать с уравнения Эйлера с нагрузкой давлением, как в уравнении (3), однако теперь с медленно меняющейся частотой ν, и заменить частоту ν комплексной частотой ν + iν D , где ν D моделирует диссипация за счет упругой реакции недр Земли. Как и на рисунке 2, результат представляет собой сумму волн прямой и ретроградной круговой поляризации. Для частот ν < 0,9 ретроградной волной можно пренебречь и остается круговая, распространяющаяся поступательная волна, в которой вектор полярного движения движется по окружности против часовой стрелки. Величина m становится: [17]
(6) m знак равно 14,5 п 0 ν C /[(ν − ν C ) 2 + ν Д 2 ] 1 ⁄ 2 (для ν < 0,9)
Это резонансная кривая, которую на своих флангах можно аппроксимировать формулой
(7) м ≈ 14,5 п 0 ν C /|ν − ν C | (для (ν − ν C ) 2 ≫ ν Д 2 )
Максимальная амплитуда m при ν = ν C становится
(8) m max = 14,5 p 0 ν C /ν D
В области применимости эмпирической формулы (2) имеется разумное согласие с уравнением (7). Из уравнений (2) и (7) находим число p 0 ∼ 0,2 гПа . Наблюдаемое максимальное значение m дает m max ≥ 230 мсек . Вместе с уравнением (8) получаем
(9) τ D = 1/ν D ≥ 100 лет
Число максимальной амплитуды давления действительно ничтожно. Это ясно указывает на резонансное усиление чандлеровского колебания в среде резонансной частоты Чандлера.
См. также
[ редактировать ]- Геодезия
- Международная служба полярного движения
- Гипотеза сдвига полюсов
- Нет прилива
- Настоящее полярное странствие
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фольгейра, М. (2005). «Свободное полярное движение трехосного и упругого тела в гамильтоновом формализме: применение к Земле и Марсу» (PDF) . Астрон. Астрофизика . 432 (3): 1101–1113. Бибкод : 2005A&A...432.1101F . дои : 10.1051/0004-6361:20041312 .
- ^ Jump up to: а б с д Ламбек, Курт (2005). Переменное вращение Земли: геофизические причины и последствия (Печатное издание в цифровом формате). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521673303 .
- ^ «Полярное движение» . Международная служба вращения Земли и систем отсчета . Федеральное агентство картографии и геодезии . Проверено 7 сентября 2015 г.
- ^ Чен, Дж.Л.; Уилсон, ЧР; Райс, Дж. К.; Тэпли, Б.Д. (7 июня 2013 г.). «Быстрое таяние льда смещает полюс Земли на восток» . Геофиз. Рез. Летт . 40 (11): 2625–2630. Бибкод : 2013GeoRL..40.2625C . дои : 10.1002/grl.50552 .
- ^ Jump up to: а б Адхикари, Сурендра; Айвинс, Эрик Р. (8 апреля 2016 г.). «Движение полюсов, обусловленное климатом: 2003–2015 гг.» . Достижения науки . 2 (4): e1501693. Бибкод : 2016SciA....2E1693A . дои : 10.1126/sciadv.1501693 . ПМЦ 4846461 . ПМИД 27152348 .
- ^ Фойгт, Кевин (20 апреля 2011 г.). «Землетрясение сдвинуло побережье Японии на 8 футов, сместило ось Земли» . CNN .
- ^ Мунк, Уолтер Х.; Макдональд, Гордон Дж. Ф. (2009). Вращение Земли. Геофизическая дискуссия (издание в цифровой печати). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521104067 .
- ^ Jump up to: а б с Мориц, Гельмут; Мюллер, Иван Иштван (1987). Вращение Земли: теория и наблюдения . Унгар.
- ^ Гросс, Ричард С.; Линдквистер, Ульф Дж. (4 мая 1992 г.). «Атмосферное возбуждение полярного движения во время измерительной кампании GIG '91». Письма о геофизических исследованиях . 19 (9): 849–852. Бибкод : 1992GeoRL..19..849G . дои : 10.1029/92GL00935 .
- ^ Шух, Х (1990). «Вращение Земли, измеренное с помощью РСДБ». В Питере Броше; Юрген Зюндерманн (ред.). Вращение Земли от эонов до дней: материалы семинара в Центре междисциплинарных исследований (ЗиФ) Университета Билефельда, ФРГ. 26-30 сентября 1988 года . Шпрингер Берлин Гейдельберг. стр. 1–12. дои : 10.1007/978-3-642-75587-3_1 . ISBN 978-3-642-75587-3 .
- ^ Jump up to: а б Юбэнкс, ТМ (1993). «Вариации ориентации Земли». У Дэвида Э. Смита; Дональд Л. Теркотт (ред.). Вклад космической геодезии в геодинамику: динамика Земли . Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз. ISBN 9781118669723 .
- ^ Дики, Джин; Юбэнкс, Т. (июль 1985 г.). «Вращение Земли и движение полюсов: измерения и последствия». Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию . GE-23 (4): 373–384. Бибкод : 1985ITGRS..23..373D . дои : 10.1109/TGRS.1985.289427 . S2CID 46607194 .
- ^ Гино, Б., Чандлеровское колебание с 1900 по 1970 год, Astron. Астрофиз., 19 , 07, 1992
- ^ Вондрак, Дж., Долгопериодическое поведение движения полюсов между 1900 и 1980 годами, A. Geophys., 3 , 351, 1985.
- ^ Ранкорн, С.К. и др., Возбуждение чандлеровского колебания, Surv. Геофиз., 9 , 419, 1988.
- ^ Скрыть, 1984 Вращение атмосферы Земли и планет, Фил. Пер. Р. Соц., А313 , 107
- ^ Jump up to: а б с Волланд, Х (1996). «Атмосфера и вращение Земли». Выж. Геофиз . 17 (1): 101. Бибкод : 1996SGeo...17..101V . дои : 10.1007/bf01904476 . S2CID 129884741 .
- ^ Гросс, Р. (2001). «Возбуждение Чендлерова колебания». Геофиз. Рез. Летт . 27 (15): 2329. Бибкод : 2000GeoRL..27.2329G . дои : 10.1029/2000gl011450 .
- ^ «Данные ориентации Земли» . Международная служба вращения Земли и систем отсчета . Федеральное агентство картографии и геодезии . Проверено 7 сентября 2015 г.
- ^ «Конвенции IERS 2010: Глава 8» . п. §8.3.
- ^ Вар, Дж. М. (1988). «Вращение Земли». Анну. Преподобный Планета Земля. Наука . 16 : 231. Бибкод : 1988AREPS..16..231W . doi : 10.1146/annurev.ea.16.050188.001311 . S2CID 54540284 .
- ^ Йохманн, Х., Вращение Земли как циклический процесс и как индикатор недр Земли, Z. geol. Висс., 12 , 197, 1984 г.
- ^ Вар, Дж. М. , Влияние атмосферы и океанов на колебание Земли - I. Теория, Geophys. Рез. JR Астр. Сок., 70 , 349, 1982 г. дои : 10.1111/j.1365-246X.1982.tb04972.x
- ^ Хамид, С.; Карри, Р.Г. (1989). «Моделирование 14-месячного чандлеровского колебания в глобальной климатической модели». Геофиз. Рез. Летт . 16 (3): 247. Бибкод : 1989GeoRL..16..247H . дои : 10.1029/gl016i003p00247 .
- ^ Кикучи, И. и И. Наито, 1982. Анализ температуры поверхности моря в период Чандлера, Труды Международной широтной обсерватории Мизусавы, 21 K , 64.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Маккарти, Деннис Д. (2000). «Полярное движение — обзор» . Коллоквиум Международного астрономического союза . 178 . Издательство Кембриджского университета (CUP): 221–236. Бибкод : 2000ASPC..208..223M . дои : 10.1017/s0252921100061364 . ISSN 0252-9211 .
- Фишер, Рик (1996). « Вращение Земли и экваториальные координаты. Архивировано 18 августа 2011 г. в Wayback Machine ». Проверено 5 июня 2005 г.
- Мунк, Уолтер (14 мая 2002 г.). «Уровень моря двадцатого века: загадка» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (10): 6550–6555. Бибкод : 2002PNAS...99.6550M . дои : 10.1073/pnas.092704599 . ПМК 124440 . ПМИД 12011419 .
- Дик, Стивен Дж. (2000). «Полярное движение: исторический обзор по случаю столетия Международной службы широт» . Коллоквиум Международного астрономического союза . 178 . Издательство Кембриджского университета (CUP): 1–24. Бибкод : 2000ASPC..208....3D . дои : 10.1017/s0252921100061170 . ISSN 0252-9211 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
