Libmonster ID: UA-1921

Share this article with friends

Доктор физико-математических наук В. Е. ЖАРОВ, заведующий лабораторией гравиметрии Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ им. М. В. Ломоносова

Для измерения времени человек издавна использовал вращение Земли. После появления в середине прошлого века атомных часов было доказано, что оно происходит неравномерно и вызывается множеством процессов, протекающих в недрах планеты, ее океанах и атмосфере. Информация об этом, помимо чисто научного значения, очень важна и для решения ряда практических задач.

Почему наша планета вращается неравномерно и зачем человечество тратит огромные средства на исследование данного явления? Чтобы хоть в какой-то мере ответить на поставленные вопросы, обратимся к истории астрономии. Главными задачами этой древней науки были: определение местоположения наблюдателя, координат точек на небе и Земле, времени конкретных событий религиозного или исторического характера. Наконец, хозяйственные нужды людей потребовали установить точный календарь, основанный на наблюдениях Солнца, Луны и звезд. В настоящее время эти задачи решает астрометрия - один из разделов астрономии.

Из большого количества клинописных глиняных табличек, найденных на территории Месопотамии (4 - 3 тыс. до н.э., область в среднем и нижнем течении рек Тиф и Евфрат), достоверно известно: уже тогда жрецы регулярно следили за небом. Они установили периодичность солнечных и лунных затмений, что позволяло предсказывать их. В Вавилонии (государство, возникшее на юге Месопотамии в начале 2 тыс. до н.э., территория современного Ирака) были созданы шестидесятиричная система счисления, лунно-солнечный календарь.

Значительные достижения в астрономии принадлежат жрецам Древнего Египта. Благоприятное существование этой страны зависело от разливов Нила, приносивших на поля плодородный ил. Если они запаздывали, стране грозили неурожай и голод. Неудивительно поэтому, что жрецы внимательно следили за появлением на небе Сириуса (самая яркая звезда) перед восходом Солнца. Было замечено: вслед за этим следовало ожидать сильного разлива реки. Можно сказать, что астрономию создала необходимость предсказания периодов подъема и спада воды в Ниле. Наблюдения позволили также создать точный солнечный календарь, определить продолжительность года, равную 365,25 суток. А для измерения времени были изобретены водяные и солнечные часы. В результате всех этих достижений сегодня мы знаем много исторических дат из жизни Египта.

Дальнейший прогресс астрономии связан с развитием математики во время расцвета древнегреческой науки. Гераклит Эфесский (около 540 - 480 гг. до н.э.) высказал предположение, что видимое движение небесной сферы отражает вращение Земли; Эратосфен Киренский (около 276 - 194 гг. до н.э.) доказал, что наша планета имеет шарообразную форму; Гиппарх (около 180/190 - 127 гг. до н.э.) открыл явление прецессии*.

Словом, перед астрономией с самого начала были поставлены задачи как прикладного, так и фундаментального характера. Это - установление связи между конфигурацией звезд, положением планет, Солнца на небе и временем конкретных событий на Земле, а также положением наблюдателя; построение систем координат на небесной сфере и нашей планете, без чего невозможно изучение строения Земли, а следовательно, и навигация.

Для успешного решения указанных задач необходимо сначала построить точные опорные системы отсчета, разработать методы наблюдений, модель строения Земли, а также сконструировать часы. Наша планета, по сути дела, и является часами, причем довольно хорошими. Лишь в XX в. были изобретены кварцевые, а затем атомные часы**, которые позволили хранить время с большей, чем вращающаяся Земля, точностью. Их использование в астрономии привело к открытию неравномерности вращения Земли, а также к построению атомной шкалы времени, по которой мы сейчас живем.


* Прецессия - перемещение точек осеннего и весеннего равноденствий с востока на запад вследствие медленного движения оси Земли по круговому конусу, из-за чего Солнце возвращается в исходную точку несколько раньше, чем завершает свой полный оборот относительно звезд (прим. ред.).

** Атомные (квантовые) часы - устройство для измерения времени, в котором роль "маятника" играют атомы. Частота излучения при переходе атомов с одного уровня энергии в другой используется для подстройки частоты кварцевого генератора, являющегося частью часов. Относительная погрешность частоты лучших атомных часов равна 10-14 - 10-15(прим. ред.)

стр. 5


Ориентация нашей планеты в пространстве определяется параметрами вращения Земли, к которым относятся всемирное время UT1, координаты полюса, углы прецессии-нутации.

Расхождение шкал времени.

Вращение нашей планеты определяют состояние вещества в ее недрах, перенос масс в ядре, мантии, в атмосфере и океанах. Существуют и другие процессы, влияющие на вращение Земли, но их пока еще нельзя точно описать теоретически. Из-за невозможности построить точную теорию вращения астрономы вынуждены проводить регулярные наблюдения для сравнения времени, которое задается вращением Земли (UT1), и атомного времени (TAI).

Итак, с одной стороны, вращение Земли используется для построения шкалы всемирного времени UT1*, которую сличают со шкалой атомного времени (TAI), а с другой - чтобы пересчитать координаты объекта из земной системы отсчета в небесную (и наоборот). Однако для этого нужно знать параметры вращения Земли, т.е. положение ее полюса, угловую скорость, нутацию (колебательные движения оси) и прецессию.

Напомним: перед измерением координат какого-либо объекта надо определить систему отсчета. Наиболее важные из них - земная и небесная. Первая зафиксирована прямоугольными координатами около 300 стационарных пунктов: это - радиотелескопы, антенны, принимающие сигналы со спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС**, жестко связанные с земной корой и потому вращающиеся вместе с ней. Вторая - неподвижна в пространстве и задается координатами примерно 600 внегалактических радиоисточников.


* Всемирное время UT1 равно интегралу от угловой скорости вращения по атомному времени, т.е. углу поворота Земли. Часто в качестве одного из параметров ее вращения вместо всемирного времени используют продолжительность суток, которая равна производной от UT1 и обратно пропорциональна угловой скорости вращения (прим. авт.).

** См.: А. М. Финкельштейн. Радиоинтерферометрическая сеть "Квазар". - Наука в России, 2001, N 5 (прим. ред.).

стр. 6


Высокочастотные вариации UT1; MJD - модифицированная юлианская дата.

Нутация оси вращения Земли (без учета прецессионного движения) с 1982 по 2000 г. Составляющие нутационного движения: Δψ - в долготе и Δε - в наклоне.

Значит, чтобы вычислить положение земного наблюдателя, необходимо измерить координаты звезд, спутников или других тел на небесной сфере. Если момент наблюдения и параметры вращения Земли ему известны, то по координатам этих тел он может найти свое положение.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Одновременно с выбором систем отсчета для измерения координат мы должны ввести подобную систему и для вычисления моментов наблюдений, а также промежутка между ними, т.е. шкалу времени.

До 1960 г. сутки - одна из основных внесистемных единиц измерения времени - использовали для установления фундаментальной величины - секунды (1/86400 часть средних солнечных суток), т.е. секунда задавалась скоростью вращения Земли. Ныне за ту же единицу принимают атомную секунду, равную 9192631770 периодам излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия (Cs133 ) на уровне моря. Из этого следует, что атомное время, измеряемое числом секунд, прошедших от некоторого произвольного момента до настоящего времени, не зависит от скорости вращения Земли, что очень удобно, так как у нас есть исключительно точная шкала времени, которая легко реализуется и может быть передана потребителям с помощью радио-, телесигналов или специальных средств связи. Но для решения навигационных задач мы должны знать всемирное время UT1, т.е. угол поворота нашей планеты относительно небесной системы. Для этого проводятся специальные регулярные наблюдения. Их совместную обработку и вычисление параметров вращения планеты выполняет Международная служба вращения Земли.

стр. 7


Изменение продолжительности суток MOD (Length-Of-Day): а - оригинальные данные Международной службы вращения Земли, b - вариации, вызываемые зональными приливами, c - декадные и d - сезонные гармоники.

Как определяется время UT1 ? Для этого по атомным часам регулярно регистрируют моменты прохождения Солнца или звезд через один и тот же меридиан, затем вводят поправку относительно его положения из-за движения полюса. Если Земля вращается неравномерно, мы обнаружим, что такие моменты изменяются день ото дня. Сопоставив шкалы всемирного UT1 и атомного времени, увидим: они непрерывно расходятся, т.е. скорость вращения планеты замедляется. Причина этого - приливное трение в системе Земля-Луна, в результате чего скорость вращения первой уменьшается, а ее спутник удаляется примерно на 1 -2 см в год.

Ныне расхождение шкал UT1 и TAI достигает приблизительно 32 с. По ряду причин пользоваться такими данными неудобно. Вот почему с 1964 г. используют шкалу всемирного координированного времени UTC - она определяется показаниями часов, функционирующих в системе TAI, но одновременно учитывает и изменение скорости вращения Земли (разность UT1-UTC не должна превосходить 0,9 с.) Для выполнения данного условия к показаниям атомных часов прибавляют одну секунду. Это делают, как правило,

31 декабря и (или) 30 июня. Последний раз коррекцию проводили 31 декабря 1999 г., и разница TAI-UTC равна точно 32 с. Время, которое показывают наши часы, - это UTC.

Если вычислить спектр UT1 или продолжительности суток, то мы обнаружим гармоники* с периодами от нескольких часов до полутора тысяч лет с амплитудами от 2 - 3 мкс до 2 мс. Так как продолжительность средних суток равна 86400 атомных секунд, то максимальное относительное изменение скорости вращения Земли не превышает 2 ? 10-8 . Из-за векового замедления продолжительность суток с 1900 по 2000 г. увеличилась примерно на 1,5 мс.

Следующая особенность - так называемое декадное изменение скорости вращения Земли. Считается, что вариации продолжительности суток с 10 - 20-летними периодами связаны с движениями в ее жидком ядре. Энергия этих движений передается от ядра к мантии за счет сил трения и/или электромагнитного сцепления. Правда, соответствующая теория развита слабо, поскольку ученые плохо знают параметры конкретных составляющих внутреннего строения планеты. Кстати, в последнее десятилетие скорость вращения Земли увеличилась, однако причины этого пока не выяснены. Из-за ускорения вращения и не требуется корректировать шкалу UTC.

На упомянутые декадные вариации накладывается множество гармоник, чьи периоды лежат в диапазоне от нескольких суток до лет. Часть из них связана с зональными приливами, деформирующими планету со стороны полюсов. Наиболее хорошо изучены сезонные вариации скорости вращения, среди которых выделяется гармоника с годичным периодом. В итоге обнаруживается, что зимой продолжительность суток больше 86 400 с, летом - меньше. Исследования показали: основная причина сезонной нерав-


* Гармоники - колебания, чьи частоты кратны основной из них (первой) сложного сигнала (прим. ред.).

стр. 8


номерности вращения Земли - атмосферная циркуляция. Ее источник - неравномерный нагрев воздуха из-за поглощения солнечного излучения; он приводит к появлению постоянных ветров, дующих с востока на запад в низких широтах и с запада на восток - в средних и высоких широтах. Моменты сил, создаваемые ими, передаются коре Земли благодаря трению атмосферы о поверхность и из-за разности давления воздуха на противоположных склонах горных цепей. Аналогичный механизм действует и в океанах: энергия течений воды передается коре планеты, но амплитуда вариаций в этом случае значительно меньше. Данный эффект был открыт недавно (10 - 15 лет назад). Основные гармоники имеют периоды примерно 1 и 0,5 суток и называются высокочастотными.

Впрочем, изменяется не только угловая скорость нашей планеты. Дело в том, что Земля еще покачивается относительно оси вращения. Это явление, называемое движением полюса, было обнаружено в конце XIX в. Оно приводит к смещению координатной сетки, т.е. к изменению координат точек на ее поверхности.

Наибольшую амплитуду (примерно 0,2", где 1" = 1 с дуги) имеет чандлеровское колебание (названо в честь открывшего его в 1891 г. американского астронома-любителя С. Чандлера) с периодом около 1,2 года и годичное колебание с амплитудой около 0,1". Сложение этих двух явлений приводит к флуктуациям с периодом, равным 6 годам, в результате чего движение полюса представляет собой закручивающуюся, а затем раскручивающуюся спираль. Ее радиус на поверхности Земли не превышает 15 м.

Теоретически чандлеровское колебание является свободным, т.е. оно возникает во вращающемся теле даже при отсутствии внешних сил, действующих на него, в отличие от годичной гармоники, появление которой обусловлено сезонными изменениями давления воздуха на кору Земли. Если бы возбуждение чандлеровского колебания отсутствовало, то через 15 - 20 лет оно должно было бы сойти на нет, поскольку планета представляет собой вязкий материальный объект. Однако этого не происходит, и природа возбуждения этой гармоники до конца еще не выяснена. Предполагается, что основную роль здесь играют изменения циркуляции в атмосфере и океанах, энергия которых передается коре Земли на частоте чандлеровского колебания.

Кроме периодических движений, полюс смещается со средней скоростью около 10 см/год в направлении 75° з. д. Одной из возможных причин векового движения полюса является таяние ледников, которое произошло 10 - 15 тыс. лет тому назад. До этого они занимали колоссальную территорию - большую часть Европы и Северной Америки. После освобождения от этой огромной нагрузки земная кора начала медленно подниматься. Такой процесс происходит и сейчас. Он приводит к изменению моментов инерции Земли и, следовательно, к движению полюса.

Теперь рассмотрим проблему изменения ориентации оси вращения нашей планеты в пространстве. Положение вектора ее мгновенной угловой скорости зависит от приливного воздействия Луны и Солнца. Данное явление называется лунно-солнечной прецессией. Она возникает из-за притяжения экваториальных избытков масс Земли ночным и дневным светилом. Силы притяжения пытаются совместить плоскости экватора Земли и ее орбиты (эклиптики), однако из-за ее вращения этого не происходит. В результате ориентация оси вращения изменяется: она описывает в пространстве конус со средней скоростью 50,3", причем угол между осью вращения и осью конуса равен = 23,5°. Период движения составляет примерно 26000 лет. Со временем прецессия меняет вид звездного неба. Ныне северный полюс мира находится близ Полярной звезды. Однако приблизительно через 8 тыс. лет "Полярной" будет звезда а Цефея, а через 13,5 тыс. лет - Вега (α Лиры).

Кроме медленного прецессионного движения, ось вращения Земли испытывает и периодические колебания - нутацию. Периоды основных нутационных гармоник равны 13,7 сут, 27,6 сут, 6 мес, 1 и 18,6 гг. Максимальную амплитуду (примерно 9") имеет последняя гармоника. Амплитуды остальных значительно меньше. В итоге ось вращения нашей планеты описывает сложные петли в пространстве. При этом меняется угол между экватором и эклиптикой, а линия пересечения экватора и эклиптики также движется в пространстве. Поэтому нутацию разделяют на две составляющие: Δε - в наклоне и Δψ - в долготе. Прецессия и нутация зависят от сжатия, внутреннего строения Земли, от наклона оси ее вращения к плоскости орбиты, от расположения Луны, Солнца, планет и многих других причин. Следовательно, чтобы построить теорию этого явления, необходимо знать точные координаты и скорости Гелиоса, Селены, других планет, а также внутреннее строение Земли. Современная теория прецессии-нутации очень точна: мы можем предсказывать положение оси вращения Земли в пространстве с ошибкой менее 0,0002" (такой угол на поверхности соответствует 2 см). Для достижения этого результата величина некоторых параметров, характеризующих внутреннее строение планеты, подбирается так, чтобы нутационные углы Δε и Δψ наилучшим образом согласовывались с результатами наблюдений. Разработанная концепция создала предпосылки для получения более точных оценок вязкости жидкого ядра, скорости вращения твердого ядра, сил электромагнитного сцепления, что способствовало дальнейшему пополнению знаний о строении нашей планеты.

Таким образом, теория прецессии-нутации позволяет вычислить ориентацию оси вращения Земли в пространстве, координаты полюса определяют ее положение в теле планеты, а время UT1 - угол поворота начального меридиана относительно выбранной точки на небе. Поскольку момент наблюдения фиксируется по атомной шкале UTC, то для вычисления UT1 мы должны знать поправку UT1-UTC. Знание указанных параметров - необходимое условие для вычисления по координатам небесных тел координат на поверхности Земли, или наоборот.


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-ВРАЩЕНИЕ-ЗЕМЛИ-И-ШКАЛЫ-ВРЕМЕНИ

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Григорий ГалушкоContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/Galushko

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

Проблемы. Поиск. Решения. ВРАЩЕНИЕ ЗЕМЛИ И ШКАЛЫ ВРЕМЕНИ // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 18.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-ВРАЩЕНИЕ-ЗЕМЛИ-И-ШКАЛЫ-ВРЕМЕНИ (date of access: 28.07.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
Григорий Галушко
Portland, United States
1086 views rating
18.06.2014 (2597 days ago)
0 subscribers
Rating
0 votes
Related Articles
Превращаясь в пыль, литий неизбежно поднимается в воздух и отравляет все живое вокруг. Самое меньшее, чем грозит литиевая пыль – это слепота. Погибает рыба, питьевая вода становится непригодной для употребления. Кроме того вода является главным ресурсом для добычи лития. Ее катастрофические сокращение отмечают местные жители всех разрабатываемых месторождений.
Catalog: Экология 
22 hours ago · From Naina Kravetz
БОЛГАРСКИЕ СЛУШАТЕЛИ АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ОФИЦЕРСКОГО КЛАССА (1901-1914 годы)
Catalog: История 
Yesterday · From Україна Онлайн
ДИНАСТИЧЕСКАЯ ДИПЛОМАТИЯ В РОССИЙСКО-ФРАНЦУЗСКИХ ОТНОШЕНИЯХ 1856-1870 годов
Catalog: Право 
Yesterday · From Україна Онлайн
ФРАНЦИЯ И РАСШИРЕНИЕ ЕВРОПЕЙСКОГО СОЮЗА НА ВОСТОК
Yesterday · From Україна Онлайн
ЗАРУБЕЖНАЯ ИСТОРИОГРАФИЯ ВНЕШНЕЙ ПОЛИТИКИ ПРАВИТЕЛЬСТВ М. ТЭТЧЕР И ДЖ. МЭЙДЖОРА (1980 - 1990-Е ГОДЫ)
Catalog: История 
2 days ago · From Україна Онлайн
ЛОРД ПАЛЬМЕРСТОН В ЕВРОПЕЙСКОЙ ДИПЛОМАТИИ
Catalog: История 
2 days ago · From Україна Онлайн
ОБЩЕЕ СОБРАНИЕ ОТДЕЛЕНИЯ ИСТОРИКО-ФИЛОЛОГИЧЕСКИХ НАУК РАН
Catalog: История 
2 days ago · From Україна Онлайн
ВАЖНЫЕ АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ ИСТОРИИ США XIX ВЕКА
Catalog: История 
2 days ago · From Україна Онлайн
ИМПЕРАТОР БОКАССА I И ВЛАСТЬ В ПОСТКОЛОНИАЛЬНОЙ АФРИКЕ
Catalog: История 
5 days ago · From Україна Онлайн
СРАЖЕНИЕ ЗА КРИТ В МАЕ 1941 ГОДА
Catalog: История 
5 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
Проблемы. Поиск. Решения. ВРАЩЕНИЕ ЗЕМЛИ И ШКАЛЫ ВРЕМЕНИ
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones