Войти
Полярное движение в угловых секундах как функция времени в днях (0,1 угловых секунды ≈ 3 метра). Полярное движение Земли - это движение Земли ось вращения относительно его корки. Это измеряется по отношению к системе отсчета, в которой зафиксирована твердая Земля (так называемая система отсчета с центром на Земле, фиксированная на Земле или ECEF система отсчета). Этот разброс составляет всего несколько метров.
Полярное движение определяется относительно условно определенной исходной оси, CIO (Традиционное международное происхождение ), являющейся средним расположением полюса над 1900 год. Оно состоит из трех основных компонентов: свободного колебания, называемого чендлеровским колебанием с периодом около 435 дней, годового колебания и нерегулярного дрейфа в направлении 80-го меридиана запад, который в последнее время сместился на восток.
Медленный дрейф, примерно 20 м с 1900 г., частично вызван движениями ядра и мантии Земли, а частично - перераспределение водных масс по мере таяния ледникового покрова Гренландии и изостатического отскока, то есть медленного подъема суши, которая раньше была покрыта ледяными щитами или ледниками. Дрейф примерно по 80-му меридиану к западу. Примерно с 2000 года полюс обрел новое направление дрейфа, примерно по центральному меридиану. Это резкое смещение на восток в направлении дрейфа объясняется переносом массы в глобальном масштабе между океанами и континентами.
Крупные землетрясения вызывают резкое полярное движение, изменяя распределение объема твердой массы Земли.. Эти сдвиги довольно малы по величине по сравнению с долгосрочными компонентами ядра / мантии и изостатического отскока полярного движения.
В отсутствие внешних крутящих моментов вектор угловой момент Mвращающейся системы остается постоянным и направлен к фиксированной точке в пространстве. Если бы Земля была абсолютно симметричной и жесткой, M оставалось бы выровненным с ее осью симметрии, которая также была бы ее осью вращения. В случае с Землей, она почти идентична ее оси вращения, с несоответствием из-за сдвигов массы на поверхности планеты. Вектор оси фигуры Fсистемы (или максимальная главная ось, ось, которая дает наибольшее значение момента инерции) колеблется вокруг M . Это движение называется свободной нутацией Эйлера . Для твердой Земли, которая в хорошем приближении представляет собой сжатый сфероид, ось фигуры F будет ее геометрической осью, определяемой географическим северным и южным полюсом и идентичной оси его полярный момент инерции. Эйлеров период свободной нутации
(1) τ E = 1 / ν E = A / (C - A) звездных дней ≈ 307 звездных суток ≈ 0,84 сидерических года
νE= 1,19 - нормализованная частота Эйлера (в единицах обратных лет), C = 8,04 × 10 кг · м - полярный момент инерции Земли, A - ее средний экваториальный момент инерции, а C - A = 2,61 × 10 кг м.
Наблюдаемый угол между осью фигуры Земли F и ее угловым моментом M составляет несколько сотен миллисекунд (мас). Это вращение можно интерпретировать как линейное смещение любого географического полюса на несколько метров на поверхности Земли: 100 мсек. протягивает дугу . длина, равная 3,082 м, при преобразовании в радианы и умножении на полярный радиус Земли (6,356,752,3 м). Используя геометрическую ось в качестве главной оси новой системы координат, фиксированной на теле, можно прийти к уравнению Эйлера гироскопа, описывающему видимое движение оси вращения вокруг геометрической оси Земли. Это так называемое полярное движение.
Наблюдения показывают, что ось фигуры демонстрирует ежегодное колебание, вызванное смещением поверхностной массы из-за динамики атмосферы и / или океана, в то время как свободная нутация намного больше, чем период Эйлера и порядка 435-445 сидерических дней. Эта наблюдаемая свободная нутация называется чендлеровским колебанием. Кроме того, существуют полярные движения с меньшими периодами порядка десятилетий. Наконец, был обнаружен вековой полярный дрейф около 0,10 м в год в направлении 80 ° к западу, что связано с перераспределением массы внутри Земли в результате дрейфа континентов и / или медленных движений в мантии и ядре, которые вызывают изменения. момента инерции.
Годовое изменение было обнаружено Карлом Фридрихом Кюстнером в 1885 году путем точных измерений изменения широты звезд, а SC Чендлер обнаружил свободную нутацию в 1891 году. Оба периода накладываются друг на друга, давая начало 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, вызванного, главным образом, крутящими моментами на геоиде из-за гравитационного притяжения Луны и Солнца. Их также называют нутациями, за исключением самого медленного, которым является прецессия равноденствий.
Полярное движение обычно наблюдается очень-долгим- базовая интерферометрия, лазерная локация Луны и спутниковая лазерная локация. Годовая составляющая довольно постоянна по амплитуде, а частота ее колеблется 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 никогда не превышала 230 мсек. Дуги.
чендлеровское колебание обычно считается резонансным явлением, свободной нутацией, которая возбуждается источником и затем исчезает с постоянной времени τ D порядка 100 лет. Это мера упругой реакции Земли. Это также объяснение отклонения периода Чандлера от периода Эйлера. Однако вместо того, чтобы исчезнуть, чандлеровское колебание, непрерывно наблюдаемое более 100 лет, изменяется по амплитуде и иногда показывает быстрое изменение частоты в течение нескольких лет. Это обратное поведение между амплитудой и частотой было описано эмпирической формулой:
(2) m = 3,7 / (ν - 0,816) (для 0,83 < ν < 0.9)
с m наблюдаемой амплитудой (в единицах мсек), и ν частота (в единицах обратных звездных лет) чандлеровского колебания. Чтобы вызвать чандлеровское колебание, необходимо повторяющееся возбуждение. Были предложены сейсмическая активность, движение грунтовых вод, снеговая нагрузка или межгодовая динамика атмосферы. в качестве таких повторяющихся сил, например, атмосферное возбуждение представляется наиболее вероятным кандидатом. Другие предлагают сочетание атмосферных и океанических процессов, при этом доминирующим механизмом возбуждения являются колебания давления на дне океана.
Текущие и исторические данные о полярном движении доступны в разделе Параметры ориентации Земли Международной службы вращения Земли и систем отсчета. Обратите внимание, что при использовании этих данных принято определять p x положительно вдоль 0 ° долготы a nd p y быть положительным вдоль 90 ° западной долготы.
Рисунок 2. Вектор вращения mгодового компонент полярного движения как функция года. Цифры и отметки указывают на начало каждого календарного месяца. Штрихпунктирная линия направлена в направлении большой оси. Линия в направлении малой оси - это положение функции возбуждения в зависимости от времени года. (100 мсек. Дуги (миллисекунды дуги) = 3,082 м на поверхности Земли на полюсах) В настоящее время существует общее согласие, что годовая составляющая полярного движения является вынужденным движением, возбуждаемым преимущественно атмосферной динамикой. Существуют две внешние силы, вызывающие движение полюсов: атмосферный ветер и давление. Основным компонентом является воздействие давления, которое представляет собой стоячую волну вида:
(3) p = p oΘ−3(θ) cos [(2πν A (t - t o)] cos (λ - λ o)
с p o амплитуда давления, Θ −3a функция Хафа, описывающая распределение атмосферного давления на земле по широте, θ - географическая широта, t - время года, t o - временная задержка, ν A = 1,003 - нормализованная частота одного солнечного года, λ - долгота и λ o долгота максимального давления. Функция Хафа в первом приближении пропорциональна sinθ cosθ. Такая стоячая волна представляет собой сезонно изменяющуюся пространственную разность давления на поверхности Земли. Зимой в северной части страны давление превышает Северный Атлантический океан и низкое давление над Сибирью с перепадами температур порядка 50 °, и наоборот летом, таким образом, несбалансированное распределение массы на поверхности Земли. Положение вектора m годовой компоненты описывает элли pse (рисунок 2). Вычисленное соотношение между большой и малой осями эллипса составляет
(4) m 1/m2=νC
, где ν C - резонансная частота Чандлера. Результат хорошо согласуется с наблюдениями. Из рисунка 2 вместе с уравнением (4) получаем ν C = 0,83, что соответствует периоду резонанса Чандлера
(5) τ C = 441 Сидерические дни = 1,20 сидерических года
po= 2,2 гПа, λ o = - 170 ° широты максимального давления и t o = - 0,07 года = - 25 дней.
Трудно оценить влияние океана, которое может немного увеличить значение максимального давления на грунт, необходимое для возникновения годового колебания. Этот эффект океана оценивается примерно в 5–10%.
Маловероятно, чтобы внутренние параметры Земли, ответственные за чендлеровское колебание, зависели от времени. на таких коротких промежутках времени. Более того, наблюдаемая стабильность годовой составляющей противоречит любой гипотезе о переменной резонансной частоте Чандлера. Одним из возможных объяснений наблюдаемого частотно-амплитудного поведения могло бы быть вынужденное, но медленно меняющееся квазипериодическое возбуждение из-за межгодовой изменяющейся динамики атмосферы. Действительно, квази-14-месячный период был обнаружен в связанных моделях общей циркуляции океана и атмосферы, и был обнаружен региональный 14-месячный сигнал региональной температуры поверхности моря.
Чтобы описать такое поведение теоретически, нужно начать с уравнением Эйлера с нагрузкой давлением, как в уравнении (3), но теперь с медленно меняющейся частотой ν, и заменяет частоту ν на комплексную частоту ν + iν D, где ν D моделирует рассеяние из-за упругой реакции недр Земли. Как показано на рисунке 2, результат представляет собой сумму прямой и ретроградной волны с круговой поляризацией. Для частот ν < 0.9 the retrograde wave can be neglected, and there remains the circular propagating prograde wave where the vector of polar motion moves on a circle in anti-clockwise direction. The magnitude of mстановится :
(6) m = 14,5 p oνC/ [(ν - ν C) + ν D ] (для ν < 0.9)
Это резонансная кривая, которая может быть аппроксимирована на ее флангах величиной
(7) m ≈ 14,5 p oνC/ | ν - ν C | (для (ν - ν C) ≫ ν D)
Максимальная амплитуда m при ν = ν C становится
(8) m max = 14,5 p oνC/νD
В диапазоне применимости эмпирической формулы (2) есть разумное согласие с уравнением (7). Из уравнений (2) и (7) можно найти число p o ∼ 0,2 гПа. Наблюдаемое максимальное значение m дает m max ≥ 230 мсек. дуги. Вместе с уравнением (8) получаем
(9) τ D = 1 / ν D ≥ 100 лет
Число максимальной амплитуды давления действительно крошечное. Это ясно указывает на резонансное усиление чандлеровского колебания в среде Резонансная частота Чандлера.
