|
На вращение Земли могут влиять очень многие процессы: изменения в распределении воздушных масс в атмосфере, снежного и ледяного покровов (к примеру изменения массы ледников Гренландии определят по снимкам со спутников (Аномалии гравитационного поля Земли согласно данным спутников GRACE. Рис. из статьи T.Murray. Greenland's ice on the scales (Nature. 2006. V.443. P.277-278))), 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, 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. 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.
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.
|