Полярное движение - Polar motion

Эта статья о движении относительно корки. О движении относительно астрономической системы см. осевая прецессия и астрономическая нутация.
Полярное движение в угловые секунды как функция времени в днях (0,1 угловой секунды ≈ 3 метра).[1]

Полярное движение Земли это движение Ось вращения Земли относительно его корки.[2]:1 Это измеряется относительно системы отсчета, в которой зафиксирована твердая Земля (так называемая В центре Земли, фиксировано на Земле или же ECEF опорный кадр). Этот разброс составляет всего несколько метров.

Анализ

Полярное движение определяется относительно условно определенной исходной оси, CIO (Традиционное международное происхождение ), который является средним положением полюса за 1900 год. Он состоит из трех основных компонентов: свободных колебаний, называемых Чендлер колеблется с периодом около 435 дней, годовым колебанием и нерегулярным дрейфом в сторону 80-го меридиан Запад,[3] который в последнее время сместился на восток.[4][5]:1

Причины

Медленный дрейф, около 20 м с 1900 г., частично связан с движениями ядра и мантии Земли, а частично - с перераспределением водной массы по мере ее прохождения. Ледяной покров Гренландии тает, и чтобы изостатический отскок, т.е. медленный подъем суши, которая раньше была покрыта ледниковыми щитами или ледниками.[2]:2 Дрейф примерно по 80-й меридиан запад. Примерно с 2000 года полюс обрел новое направление дрейфа, примерно по центральному меридиану. Этот резкий сдвиг в направлении дрейфа на восток объясняется переносом массы в глобальном масштабе между океанами и континентами.[5]:2

Основной землетрясения вызвать резкое полярное движение, изменяя объемное распределение твердой массы Земли. Эти сдвиги довольно малы по величине по сравнению с долгосрочными компонентами ядра / мантии и изостатического отскока полярного движения.[6]

Принцип

При отсутствии внешних крутящих моментов вектор угловой момент M вращающейся системы остается постоянной и направлена ​​к фиксированной точке в пространстве. Если бы Земля была абсолютно симметричной и жесткой, M останется выровненным с его осью симметрии, которая также будет его ось вращения. В случае с Землей, она почти идентична оси вращения, с расхождением из-за сдвигов массы на поверхности планеты. Вектор ось фигуры F системы (или максимальной главной оси, оси, которая дает наибольшее значение момента инерции) колеблется вокруг M. Это движение называется Эйлер с бесплатная нутация. Для твердой Земли, которая является сжатой сфероид ось фигуры в хорошем приближении F будет его геометрической осью, определяемой географическим северным и южным полюсами и идентичной оси его полярного момента инерции. Период Эйлера свободной нутации равен

(1)   τE = 1 / νE = A / (C - A) сидерические дни ≈ 307 сидерических дней ≈ 0,84 сидерических года

νE = 1,19 - нормализованная частота Эйлера (в единицах обратных лет), C = 8,04 × 1037 кг м2 - полярный момент инерции Земли, A - ее средний экваториальный момент инерции, а C - A = 2,61 × 1035 кг м2.[2][7]

Наблюдаемый угол между осью фигуры Земли F и его угловой момент M несколько сотен миллисекунды (мас). Это вращение можно интерпретировать как линейное смещение либо географический полюс составляет несколько метров на поверхности Земли: 100 мсек. подает ан длина дуги 3,082 м, если преобразовать в радианы и умножить на Земли полярный радиус (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.[8]

Наблюдения показывают, что ось рисунка демонстрирует годовое колебание, вызванное смещением поверхностной массы из-за динамики атмосферы и / или океана, в то время как свободная нутация намного больше, чем период Эйлера, и составляет порядка 435-445 звездных дней. Эта наблюдаемая свободная нутация называется Чендлер колеблется. Кроме того, существуют полярные движения с меньшими периодами порядка десятилетий.[9] 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.[8]

Годовое изменение было обнаружено Карлом Фридрихом Кюстнером в 1885 году путем точных измерений изменения широты звезд, в то время как С.К. Чендлер нашел свободную нутацию в 1891 году.[8] Оба периода накладываются друг на друга, вызывая частота биений со сроком от 5 до 8 лет (см. рисунок 1).

Это полярное движение не следует путать с изменением направления движения Ось вращения Земли относительно звезд с разным периодом, что вызвано в основном крутящими моментами на Геоид из-за гравитационного притяжения Луны и Солнца. Их еще называют нутации, за исключением самого медленного, которым является прецессия равноденствий.

Наблюдения

Полярное движение обычно наблюдается интерферометрия с очень длинной базой,[10] лазерная локация Луны и спутниковая лазерная локация.[11] 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.

В Чендлер колеблется обычно считается резонансным явлением, свободным нутация возбуждается источником, а затем гаснет с постоянной времени τD порядка 100 лет. Это мера упругой реакции Земли.[12] 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 быстрый сдвиг частоты в течение нескольких лет.[13] Это взаимное поведение между амплитудой и частотой было описано эмпирической формулой:[14]

(2)   m = 3,7 / (ν - 0,816)   (для 0,83 <ν <0,9)

где m - наблюдаемая амплитуда (в единицах миллисекунд), а ν - частота (в единицах обратных звездных лет) чандлеровского колебания. Чтобы вызвать 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 представляется наиболее вероятным кандидатом.[16][17] Другие предлагают сочетание атмосферных и океанических процессов, при этом доминирующим механизмом возбуждения являются колебания давления на дне океана.[18]

Данные

Текущие и исторические данные о полярном движении доступны на Международная служба вращения Земли и систем отсчета с Параметры ориентации Земли.[19] Обратите внимание, что при использовании этих данных соглашение должно определять пИкс быть положительным по долготе 0 ° и пу быть положительным вдоль 90 ° западной долготы.[20]

Теория

Годовая составляющая

Фигура 2. Вектор вращения м годовой составляющей полярного движения как функции 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 (миллисекунд) = 3,082 м на поверхности Земли на полюсах)

Сейчас все согласны с тем, что годовая составляющая полярного движения - это вынужденное движение, возбуждаемое преимущественно атмосферной динамикой.[21] Существуют две внешние силы, вызывающие движение полюсов: атмосферный ветер и давление. Основной составляющей является нагнетание давления, которое представляет собой стоячую волну вида:[17]

(3)   р = роΘ−31(θ) cos [(2πνА(т - то)] cos (λ - λо)

с pо амплитуда давления, Θ−31 а Функция Хафа описывающее широтное распределение атмосферного давления на земле, θ географическая координата, t время года, tо задержка по времени, νА = 1.003 нормализованная частота одного солнечного года, λ - долгота, а λо 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 на севере наблюдается высокое давление над северной частью Атлантического океана и низкое давление над Сибирью с перепадами температур порядка 50 °, и наоборот летом, что приводит к несбалансированному распределению массы на поверхности Земли. Положение вектора м годовой составляющей описывает эллипс (рисунок 2). Расчетное соотношение между большой и малой осями эллипса равно

(4)   м1/ м2 = νC

где νC - резонансная частота Чендлера. Результат хорошо согласуется с наблюдениями.[2][22] Из рисунка 2 вместе с уравнением (4) получаем νC = 0,83, что соответствует периоду чандлеровского резонанса

(5)  τC = 441 сидерический день = 1,20 звездных года

по = 2,2 гПа, λо = - 170 ° широты максимального давления, а tо = - 0,07 года = - 25 дней.

Трудно оценить влияние океана, которое может немного увеличить значение максимального давления на грунт, необходимое для генерации годового колебания. Этот эффект океана оценивается в 5–10%.[23]

Чендлер колеблется

Маловероятно, чтобы внутренние параметры Земли, ответственные за чендлеровское колебание, зависели от времени на таких коротких временных интервалах. 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 изменяющееся квазипериодическое возбуждение из-за межгодовой изменяющейся динамики атмосферы. Действительно, период квази-14 месяцев был обнаружен в связанных моделях общей циркуляции океана и атмосферы,[24] наблюдался региональный 14-месячный сигнал региональной температуры поверхности моря.[25]

Чтобы описать такое поведение теоретически, нужно начать с уравнения Эйлера с нагрузкой давлением, как в уравнении (3), но теперь с медленно меняющейся частотой ν, и заменить частоту ν на комплексную частоту ν + iνD, где νD имитирует диссипацию 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 ретроградной волной можно пренебречь, и остается круговая распространяющаяся прямая волна, в которой вектор полярного движения движется по окружности против часовой стрелки. Величина м становится:[17]

(6)   м = 14,5 по νC/ [(ν - νC)2 + νD2]1/2   (для ν <0,9)

Это резонансная кривая, которую можно аппроксимировать по бокам следующим образом:

(7)   м ≈ 14,5 п.о νC/ | ν - νC|   (для (ν - νC)2 ≫ νD2)

Максимальная амплитуда m при ν = νC становится

(8)   мМаксимум = 14,5 п.о νC/ νD

В области применимости эмпирической формулы (2) имеется разумное согласие с уравнением (7). Из уравнений (2) и (7) находим число pо ∼ 0,2 гПа. Наблюдаемое максимальное значение m дает mМаксимум ≥ 230 мсек. Вместе с уравнением (8) получаем

(9)   τD = 1 / νD ≥ 100 лет

Число максимальной амплитуды давления действительно крошечное. Это ясно указывает на усиление резонанса чандлеровского колебания в среде резонансной частоты Чандлера.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Фольгейра, М. (2005). "Свободное полярное движение трехосного и упругого тела в гамильтоновом формализме: приложение к Земле и Марсу" (PDF). Astron. Астрофизики. 432 (3): 1101–1113. Bibcode:2005A & A ... 432.1101F. Дои:10.1051/0004-6361:20041312.
  2. ^ а б c d Ламбек, Курт (2005). Переменное вращение Земли: геофизические причины и последствия (Издание в цифровом виде). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521673303.
  3. ^ «Полярное движение». Международная служба вращения Земли и систем отсчета. Федеральное агентство картографии и геодезии. Получено 7 сентября 2015.
  4. ^ Chen, J.L .; Wilson, C.R .; Ries, J.C .; Тэпли, Б. (7 июня 2013 г.). «Быстрое таяние льда толкает полюс Земли на восток». Geophys. Res. Латыш. 40 (11): 2625–2630. Bibcode:2013GeoRL..40.2625C. Дои:10.1002 / grl.50552.
  5. ^ а б Адхикари, Сурендра; Айвинс, Эрик Р. (8 апреля 2016 г.). «Полярное движение, обусловленное климатом: 2003–2015 гг.». Достижения науки. 2 (4): e1501693. Bibcode:2016SciA .... 2E1693A. Дои:10.1126 / sciadv.1501693. ЧВК  4846461. PMID  27152348.
  6. ^ Войт, Кевин (20 апреля 2011 г.). «Землетрясение сдвинуло побережье Японии на 8 футов, ось Земли сместилась». CNN. Получено 8 ноября 2020.
  7. ^ Мунк, Уолтер Х .; Макдональд, Гордон Дж. Ф. (2009). Вращение Земли Геофизическая дискуссия (Издание в цифровом виде). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521104067.
  8. ^ а б c Мориц, Гельмут; Мюллер, Иван Иштван (1987). Вращение Земли: теория и наблюдения. Унгар.
  9. ^ 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. Bibcode:1992GeoRL..19..849G. Дои:10.1029 / 92GL00935.
  10. ^ Schuh, H (1990). «Вращение Земли, измеренное РСДБ». В Питере Броше; Юрген Зюндерманн (ред.). Вращение Земли от эонов к дням: материалы семинара, проведенного в Центре междисциплинарных исследований (ZiF) Университета Билефельда, ФРГ. 26-30 сентября 1988 г.. Springer Berlin Heidelberg. С. 1–12. Дои:10.1007/978-3-642-75587-3_1. ISBN  978-3-642-75587-3.
  11. ^ а б Юбэнкс, Т. (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.
  12. ^ Дики, Джин; Юбэнкс, Т. (июль 1985 г.). «Вращение Земли и полярное движение: измерения и последствия». IEEE Transactions по наукам о Земле и дистанционному зондированию. GE-23 (4): 373–384. Bibcode:1985ITGRS..23..373D. Дои:10.1109 / TGRS.1985.289427.
  13. ^ Гино Б., Чандлеровское колебание с 1900 по 1970 гг., Astron. Astrophys., 19, 07, 1992
  14. ^ Вондрак Дж. Длиннопериодическое поведение полярных движений между 1900 и 1980 гг., A. Geophys., 3, 351, 1985
  15. ^ Ранкорн, С.К. и др., Возбуждение чандлеровского колебания, Surv. Geophys., 9, 419, 1988
  16. ^ Hide, 1984 Вращение атмосферы Земли и планет, Фил. Пер. R. Soc., A313, 107
  17. ^ а б c Волланд, H (1996). «Вращение атмосферы и Земли». Surv. Geophys. 17 (1): 101. Bibcode:1996SGeo ... 17..101V. Дои:10.1007 / bf01904476.
  18. ^ Гросс, Р. (2001). «Возбуждение чендлеровского колебания». Geophys. Res. Латыш. 27 (15): 2329. Bibcode:2000GeoRL..27.2329G. Дои:10.1029 / 2000gl011450.
  19. ^ «Данные об ориентации Земли». Международная служба вращения Земли и систем отсчета. Федеральное агентство картографии и геодезии. Получено 7 сентября 2015.
  20. ^ «Конвенции IERS 2010: Глава 8». п. §8.3.
  21. ^ Вар, Дж. М. (1988). «Вращение Земли». Анну. Преподобный "Планета Земля". Наука. 16: 231. Bibcode:1988AREPS..16..231Вт. Дои:10.1146 / annurev.ea.16.050188.001311.
  22. ^ Йохманн Х. Вращение Земли как циклический процесс и индикатор в недрах Земли, Z. geol. Wiss., 12, 197, 1984
  23. ^ Вар Дж. М. Влияние атмосферы и океанов на колебание Земли - I. Теория, Geophys. Res. J. R. Astr. Soc., 70, 349, 1982
  24. ^ Hameed, S .; Карри, Р. (1989). «Моделирование 14-месячного колебания Чендлера в глобальной климатической модели». Geophys. Res. Латыш. 16 (3): 247. Bibcode:1989GeoRL..16..247H. Дои:10.1029 / gl016i003p00247.
  25. ^ Кикучи, И., и И. Найто, 1982 Анализ температуры поверхности моря вблизи периода Чандлера, Труды Международной широтной обсерватории Мидзусавы, 21 К, 64