big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Вращение земли

Построение классической теории вращения Земли было завершено к концу прошлого столетия. Тогда же возникли первые серьезные сомнения в том, можно ли считать приемлемым допущение об абсолютной твердости Земли, на котором основана эта теория. Так появилось новое направление в изучении вращательного движения Земли — поиски различных проявлений того влияния, которое оказывают на это движение деформации Земли и перемещения масс на ее поверхности и в недрах. Это влияние можно обнаружить при изучении трех взаимно связанных явлений:

1) движения мгновенной оси вращения Земли в пространстве, т. е. прецессии и нутации;

2) движения этой оси относительно самой Земли, с которыми связано перемещение полюсов Земли по ее поверхности;

3) изменения угловой скорости вращения Земли или продолжительности суток.

Сведения об этих явлениях доставляют астрономические наблюдения. Но поскольку ожидаемые эффекты очень малы, обнаружить их можно только по результатам длительных наблюдений самой высокой точности, требующих огромной работы астрономов-наблюдателей. Рассмотрим хотя бы наблюдения над изменяемостью широт. Необходимость постановки этих наблюдений стала очевидной уже в конце XIX в., вскоре после того как обнаружилось, что полюсы Земли не сохраняют неизменного положения.

Тогда же стало ясно, что ценность наблюдений значительно возрастет, если они будут подчинены общему плану. Так возникла мысль о научной кооперации для изучения движения полюсов, получившая практическое осуществление в создании Международной службы широт ы. В ее организации и деятельности активно участвовали отечественные астрономы. Одна из пяти действующих станций Международной службы широты находится в г. Китабе Узбекской ССР.

Деятельность Международной службы широты — замечательный пример сотрудничества ученых многих стран. Даже обе мировые войны, хотя и затруднили эту деятельность, ни на один день ее не прервали. Этим была обеспечена непрерывность сведений о движении полюсов Земли с 1900 г. Однако по мере накопления фактов становилось все более ясным, что изменение широт и движение полюсов Земли — явления более сложные, чем это вначале казалось, и что программа Международной службы широты не обеспечивает изучения всех особенностей этих явлений. Было установлено, что результаты широтных наблюдений подвержены значительному влиянию местных условий и поэтому число пунктов, в которых ведутся наблюдения над колебаниями широты, должно быть значительно увеличено. Совсем не обязательно, чтобы эти наблюдения велись по одинаковым программам и с помощью однотипных инструментов, как это принято в практике Международной службы широты. Скорее, наоборот, желательно испытание различных программ, методов и инструментов.

Этими задачами занялось несколько обсерваторий, не входящих в Международную службу широты. Среди них нужно прежде всего назвать Пулковскую и Полтавскую. Широтные наблюдения в Пулкове были начаты еще в 1904 г. на зенит-телескопе, изготовленном пулковским механиком Г. А. Фрейбергом-Кондратьевым. Этот инструмент находится в эксплуатации и в настоящее время, продолжая давать результаты непревзойденной точности.

Особенно заманчивой задачей для астрономических обсерваторий была постановка наблюдений, специально предназначенных для изучения таких явлений, которые невозможно или трудно выявить из анализа результатов Международной службы широты. Примером такого рода наблюдений могут служить наблюдения двух ярких зенитных звезд. Эти наблюдения начаты в 1939 г. в Полтаве (Попов, 1963), возобновлены после перерыва, вызванного войной, и продолжаются до настоящего времени. Полученные результаты содержат особенно ценную информацию о колебаниях широты с периодами, близкими к суткам. Объясняется это тем, что упомянутые зенитные звезды благодаря их яркости можно наблюдать в любое время суток. Кроме того, они очень удачно расположены по прямому восхождению: моменты их кульминации наблюдаются примерно через двенадцать часов. Значит, эти моменты всегда приходятся на противоположные фазы суточного колебания широты. Указанные особенности программы, продолжительность наблюдений, их точность и однородность результатов делают наблюдения Полтавской обсерватории исключительно ценными.

Проведение Международного геофизического года (1957—1959 гг.) послужило стимулом к расширению сети широтных станций. Хотя число обсерваторий, ведущих систематические широтные наблюдения, к началу МГГ достигло 20 (из них пять в СССР), их географическое размещение нельзя было считать удовлетворительным. Дело в том, что между европейской и американской группами обсерваторий находились только две действующие широтные станции: в Китабе и Мидзусаве (Япония). Поэтому советские астрономы считали неотложной задачей организацию промежуточных широтных наблюдений, в частности в восточной части Сибири. Эту задачу удалось решить именно в связи с подготовкой к МГГ: были начаты широтные наблюдения в Иркутске и на вновь построенной станции в Благовещенске, а также в Москве.

Разумеется, одновременно с увеличением числа действующих широтных станций улучшалось и их оснащение оборудованием. Так, отечественной промышленностью была изготовлена серия зенит-телескопов, значительно превышающих по размерам и мощности инструменты, установленные на станциях Международной службы широты. Были введены в эксплуатацию и инструменты других типов. Однако все это не привело к очень заметному повышению качества широтных наблюдений. Дело в том, что уже более 50 лет назад точность широтных наблюдений достигла столь высокого уровня, к которому другие астрономические наблюдения теперь только приближаются. В последующие годы существенным был не столько качественный, сколько количественный рост службы широты.

Совсем по-иному сложилось положение дел с изучением неравномерности вращения Земли. Здесь технический прогресс привел к коренному изменению содержания и пересмотру самих задач службы времени. Прежде Земля считалась как бы идеальным хранителем времени: по ее вращению выверялся ход всех часов. Этой цели и служили астрономические наблюдения, при которых астроном как бы отсчитывает показания небесных часов, причем роль стрелки играет визирная линия его инструмента, а циферблата — звездное небо. В промежутках между наблюдениями время хранится при помощи часов высокой точности. Сравнение часов, находящихся в разных обсерваториях, осуществляется посредством передачи сигналов точного времени по радио. Астрономические определения поправок часов, хранение времени, передача и прием сигналов времени являются основными задачами службы точного времени. В их решение в последние десятилетия были внесены существенные изменения, которые привели к радикальному повышению точности результатов.

В практику астрономических наблюдений были введены так называемые безличные инструменты: фотографические зенитные трубы, астролябии Данжона и фотоэлектрические пассажные инструменты. Советские астрономы сделали особенно много в отношении разработки метода фотоэлектрической регистрации звездных прохождений. Опыты в этом направлении были начаты в Пулкове Н. Н. Павловым в 1933 г., а в 1939 г. здесь начались систематические наблюдения фотоэлектрическим методом. В последующие годы опытом Пулковской обсерватории воспользовались другие обсерватории. Аппаратура для фотоэлектрической регистрации звездных прохождений была значительно усовершенствована.

В дореволюционной России регулярной передачи сигналов времени по радио вообще не было. Но уже в декабре 1920 г. Пулковская обсерватория начала систематически передавать сигналы времени через Петроградскую радиостанцию. Теперь советская радиослужба времени достигла высокого уровня как в организационном, так и в техническом отношении благодаря широкому использованию современных средств электроники и автоматики. Но особенно существенными были успехи в хранении точного времени.

В чем принципиальное значение этих успехов? Дело в том, что для измерения времени не обязательно пользоваться лишь вращением Земли. Возможны и другие способы. Один из них основан на наблюдении орбитального движения планет, включая Землю, вокруг Солнца и спутников вокруг планет. Уравнения этого движения, полученные на основе гравитационной теории, связывают координаты упомянутых небесных тел с равномерно текущим ньютоновским или эфемеридным временем.

В принципе для измерения времени можно воспользоваться различными периодическими процессами, механическими или физическими, например, колебаниями подвешенного груза (маятниковые часы) или балансира (в хронометрах). Однако периоды этих колебаний не сохраняются с таким постоянством, которое удовлетворяло бы современным требованиям к точности хранения времени. Большим постоянством отличаются колебания кристалла кварца. Кварцевые часы теперь широко применяются в качестве хранителей времени как в СССР, так и за границей. Но вполне полагаться на постоянство хода таких часов, особенно при измерении больших промежутков времени, все же нельзя, так как из-за постепенного изменения структуры кристаллов кварца (старения) происходит так называемый дрейф собственной частоты. Кроме того, для хорошей работы кварцевых часов нужно очень строго соблюдать температурный режим.

Поиски таких периодических процессов, которые были бы свободны от эффектов старения, присущих кварцевым часам, привели к мысли воспользоваться для измерения времени собственными колебаниями атомов. Частота этих колебаний не меняется со временем и лишь в малой степени зависит от внешних условий. Трудности заключались в том, чтобы найти способ подсчета числа колебаний при очень высоких частотах. Однако эти трудности удалось преодолеть. Так были созданы атомные и молекулярные стандарты частоты, которые используются теперь для проверки хода кварцевых часов.

Итак, время можно измерять тремя способами. Первый из них основан на наблюдении вращения Земли, второй — на наблюдении орбитального движения планет и спутников, третий — на применении атомных стандартов частоты. Соответственно этому продолжительность измеряемого промежутка времени будет выражена в единицах мирового, эфемеридного или атомного времени. Во всех случаях в качестве единицы измерения можно взять секунду. Но одинаковым будет только название. Словом секунда мы в разных случаях будем называть по существу совершенно различные величины. При измерении мирового времени секундой называют 1 : 86 400 часть средних суток; секунда эфемеридного времени — 1 : 31 556 925,975 часть тропического года; секунда атомного времени — продолжительность 9 192 631 770 циклов цезиевого стандарта частоты. Величины эти близки, но различия между ними весьма существенны для изучения вращения Земли.

Благодаря повышению точности определения и хранения времени, а также сравнения часов появилась возможность уверенно сравнивать между собой результаты измерения одного и того же промежутка времени различными способами. При этом обнаружилось, что продолжительность суток, выраженная в секундах эфемеридного и атомного времени, не остается строго неизменной. А так как были все основания полагаться на постоянство этих единиц измерения времени, то следовал важный вывод: скорость суточного вращения Земли меняется. Значит, Землей нельзя пользоваться как часами. И, наконец, астрономические наблюдения звездных прохождений нужны не для проверки часов, а именно для изучения неравномерности вращения Земли. Этим и объясняется то коренное изменение самих задач службы времени, о котором упомянуто ранее. Вначале мы указали, что основным направлением в исследовании вращательного движения Земли являются поиски и изучение проявлений того влияния, которое оказывают на это движение деформации Земли и перемещение масс в ее пределах. Исходные факты для этого дают описанные нами астрономические наблюдения.

Начнем с изучения движения оси вращения Земли в пространстве. Нутация представляет собой совокупность большого числа слабых периодических колебаний этой оси. При этом меняется и угол, который она образует с плоскостью эклиптики (нутация в наклонности), и направление ее проекции на эту плоскость (нутация в долготе). Понятно, что траектория полюса мира на небесной сфере имеет вид сложной и, на первый взгляд, неправильной кривой. Однако картина будет совсем простой, если из всей совокупности колебаний выделить одно какое-либо колебание с определенным периодом. Отвечающее ему движение полюса мира всегда будет движением по эллипсу. Наибольшим является эллипс, который полюс мира описывает за 18,6 года. Большую полуось этого эллипса (она лежит в плоскости, перпендикулярной экватору) называют постоянной нутации. Классическая теория, основанная, как сказано, на допущении абсолютной твердости Земли, связывает полуоси всех нутационных эллипсов точными соотношениями. Поэтому не приходится определять все эти полуоси из наблюдений; достаточно определить только постоянную нутации. Коэффициенты остальных членов нутации в наклонности и долготе вычисляются по точным формулам.

Но раз мы ставим под сомнение правильность классической теории, мы уже не имеем права пользоваться этими формулами, и определение коэффициентов отдельных членов нутации из астрономических наблюдений приобретает не только смысл, но и большое научное значение. Это попытался сделать Н. А. Попов. Он воспользовался упоминавшимися выше наблюдениями ярких звезд в Полтаве и нашел, что коэффициенты полумесячного члена нутации действительно отличаются от тех, которые дает теория. Впоследствии этот результат был подтвержден и уточнен Е. П. Федоровым и Е. И. Евтушенко. Основываясь более чем на 200 тысячах широтных наблюдений, они установили, что полуоси эллипса полумесячной нутации равны 0",096 и 0",093. Классическая теория вращения Земли дает для них соответственно 0",088 и 0",081. Затем Е. П. Федоров выполнил раздельное определение полуосей главного эллипса нутации (период 18,6 года). Для большой полуоси, т. е. постоянной нутации, он получил значение 9",197, что в рамках классической теории не согласуется с другими астрономическими постоянными. В новой системе астрономических постоянных согласующееся значение было бы 9",227.

Итак, некоторые расхождения между наблюдениями и выводами теории вращения абсолютно твердой Земли были обнаружены. Нужно было их объяснить. Расчеты показали, что упругие деформации Земли практически не влияют на нутацию. Оставалось рассмотреть возможное влияние жидкого ядра Земли. Это сделал еще в 1896 г. Ф. А. Слудский. Однако он не располагал необходимыми данными о размере, форме и массе ядра, чтобы довести исследования до численных результатов.

Интерес к этой проблеме вновь оживился в связи с поисками причин расхождения между значениями постоянной нутации, о котором было сказано выше. С наибольшей строгостью и полнотой влияние ядра Земли на ее вращение было изучено М. С. Молоденским. Он рассмотрел две модели Земли. В первой из них плотность в жидком ядре меняется только вследствие адиабатического сжатия, во второй,— кроме основного жидкого ядра, учитывается наличие твердого внутреннего ядра с плотностью около 23 г/см3.

В отличие от ранних работ, в исследованиях М. С. Молоденского принимались во внимание деформации упругой, сжимаемой и неоднородной оболочки Земли. Согласие с наблюдениями, особенно для второй модели, получилось значительно лучше, чем при допущении целиком твердой Земли. Но это еще не все. По исследованиям Ф. А. Слудского у Земли с жидким ядром возможен такой вид нутации, которого у целиком твердой Земли вообще быть не может: колебания оси вращения оболочки с периодом, близким к суткам. По расчетам М. С. Молоденского этот период на 7 мин короче средних суток для его первой модели и на 7 мин 2 сек — для второй. Затем Н. А. Попову удалось обнаружить в уже упоминавшихся наблюдениях в Полтаве слабые колебания широты, соответствующие описанной суточной нутации.

С самого начала систематических широтных наблюдений их основной целью было изучение движения полюсов Земли. Так были получены данные об этом движении за последние 70 лет. Их анализ позволил обнаружить две периодические составляющие: годовую и 14-месячную, открытую Чендлером (США) в 1895 г. При годовом движении полюс описывает на поверхности Земли эллипс, полуоси которого, по данным А. Я. Орлова, равны 0",088 и 0",075. Годовое движение объясняется частично изменениями моментов инерции атмосферы, обусловленными переносом воздушных масс, причем основную роль играет формирование в зимние месяцы устойчивых максимумов атмосферного давления в Сибири. Как показал Н. И. Парийский и другие, существенное влияние на скорость вращения Земли оказывают сезонные вариации момента количества движения атмосферы. Но метеорологические процессы протекают в разные годы по-разному. Их аномалии являются причиной, возбуждающей и поддерживающей другое упоминавшееся периодическое движение полюсов Земли — свободную нутацию с периодом 14 месяцев. Этот период зависит от механических свойств Земли и поэтому может служить критерием для проверки различных гипотез о ее внутреннем строении. Указанным обстоятельством воспользовался М. С. Молоденский, теоретически вычисливший период свободной нутации для нескольких моделей Земли. Под влиянием вязкости Земли свободная нутация Земли должна затухать. В последнее время советскими учеными (А. Н. Колмогоровым и др.) было сделано несколько попыток найти это затухание из анализа движения полюсов Земли.

Наблюдается ли, кроме периодических движений, прогрессивное, или, как его обычно называют, вековое движение полюсов Земли? К сожалению, на этот вопрос, естественно интересующий геофизиков, астрономы окончательного ответа дать пока не могут. А. Я. Орлов установил, что медленные непериодические изменения широт действительно наблюдаются. Но в то же время он пришел к выводу о том, что приписать их только вековому движению полюсов нельзя. По-видимому, эти изменения вызываются скорее местными причинами, а может быть, являются следствием ошибок наблюдений.

Выше мы пояснили, каким образом из астрономических определений времени удается получить сведения об изменениях угловой скорости вращения Земли. Были обнаружены три типа этих изменений: вековое замедление, нерегулярные «скачкообразные» изменения и колебания с годовым и более короткими периодами. Вековое замедление проявляется в том, что продолжительность суток постепенно увеличивается на 0,001—0,002 сек в столетие. Но в некоторые годы этот плавный ход внезапно нарушался: за сравнительно короткое время скорость вращения Земли заметно уменьшалась или увеличивалась (до 108 своей величины). Н. Н. Парийский в 1954 г. подробно рассмотрел возможные причины «скачкообразных» изменений и пришел к выводу, что никакими явлениями на поверхности Земли их объяснить нельзя. По его расчетам их можно объяснить такими внутренними процессами, как перекристаллизация вещества в слое толщиной около 10 м, при которой его плотность меняется на 0,1 г/см3. Годичные вариации скорости вращения Земли, при которых продолжительность суток меняется между январем и июлем на 0,001—0,002 сек, хорошо удается объяснить влиянием ветров. Кроме того, существуют и слабые полугодовые вариации, а в последнее время Д. Ю. Белоцерковский обнаружил также колебания скорости вращения Земли с периодом около трех месяцев.

Теория случайных процессов, развитая в последние годы математиками, позволяет по-новому подойти к изучению вращения Земли. В распоряжении исследователей теперь имеется мощный математический аппарат, с помощью которого можно подвергнуть всестороннему анализу всю совокупность имеющихся наблюдений. Безусловно есть основания рассчитывать, что таким путем будет получено много новых выводов, важных для астрономии и геофизики. Как можно было видеть, изучение вращения Земли — международная научная проблема. В ее исследовании советские ученые принимают большое участие.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.