Член-корреспондент РАН Ю. Н. АВСЮК, заведующий лабораторией гравиметрии Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН

Сегодня астрометристы регистрируют изменение широт Земли. Это весьма интересный процесс, о природе которого ученые даже родственных специальностей мало что знают. Когда оно было обнаружено? О чем говорят наблюдаемые факты? Как современные исследователи оценивают это глобальное явление?

Установлено: ось Земли перемещается и, следовательно, географический ее полюс не остается неизменным. Траектория такого движения небольшая, диаметр овала - порядка 10 м. В разные годы он неодинаков, порой достигает 15 или сжимается до 3 м. Поэтому полярнику, добравшемуся до полюса, пришлось бы обойти круг радиусом до 10 м, чтобы обоснованно утверждать об этом факте.

Астрометристы в ряде обсерваторий ведут непрерывные наблюдения за изменениями широт, долгот, причем определяют их с очень высокой точностью - до тысячной доли секунды, т.е. порядка нескольких сантиметров, для чего созданы соответствующие международные службы. Они публикуют итоги своих работ, которыми пользуются заинтересованные учреждения и ведомства. В то же время специалисты, занимающиеся сопоставлением данных наблюдений за изменением широт с моделью свободной нутации*, оси вращения нашей планеты**, пред-

Статьи данной рубрики отражают мнения авторов (прим. ред.)

* Аналог свободным колебаниям маятника. Можно импульсным толчком рассогласовать ось вращения с осью фигуры волчка, тогда ось вращения будет описывать конус вокруг оси фигуры (прим. авт.).

** См.: В. Е. Жаров. Вращение Земли и шкалы времени. - Наука в России, 2005, N 1 (прим. ред.).

стр. 27

Траектория движения северного географического полюса за период 1961 - 1966 гг. с шагом через 0,1 года. Ось +Х по меридиану Гринвича, ось +Y по долготе 90° W.

ложенной на начальном этапе изысканий, вынуждены признать: никакого соответствия здесь нет.

Для объяснения этого факта следует прежде всего вернуться к научным спорам в конце XIX в., участники которых ратовали за признание наличия свободной нутации. Это была дискуссия между геологами и физиками. Первые в то время придерживались контракционной* гипотезы, считая Землю жидкой, расплавленной, покрытой тонкой оболочкой, которая по мере остывания деформировалась, что и запечатлелось в горных массивах. Вторые утверждали, что планета твердая. Зная температурный градиент по измерениям в шахтах (1 на 50 футов) и теплопроводность пород на ее поверхности, великий английский физик, иностранный почетный член Петербургской АН У. Кельвин (1824 - 1907) рассчитал время остывания первоначально расплавленной Земли и сделал вывод - она твердая.

Рассуждения физиков, базировавшиеся на теоретических моделях, вызвали недовольство геологов, считавших, что изучение эволюции природных процессов, в частности горообразования, - убедительный аргумент о жидком состоянии Земли. Они заявляли: нельзя допустить, чтобы точные математические вычисления превалировали, так как с помощью формул нельзя добыть истину из множества природных фактов.

Ввиду того, что некоторые естествоиспытатели ставили под сомнение теоретическое моделирование, то понятен интерес У. Кельвина ко многим деталям, свободным от них, способным показать: не только "вычисления властвуют", но есть и явления природы, говорящие в пользу затвердевшей Земли. И он обращается к одному из своих сторонников - американскому астроному, иностранному почетному члену Петербургской АН С. Ньюкому (1835 - 1909) с просьбой проанализировать широты Вашингтона с 1862 по 1865 г. для выявления 305-суточных колебаний, т.е. с периодом свободной нутации оси вращения Земли, динамическое сжатие** которой равно 1/305. Такой режим может быть установлен только на основании обнаружения перемещения оси вращения в теле планеты с периодом в 305 суток. Оси вращения расплавленной Земли и ее фигуры при импульсном возбуждении сразу же совпадут. Поэтому если у земного шара наблюдается свободная нутация, то это говорит о том, что он не жидкий, и, стало быть, геологическая гипотеза контракции - неверна.

С. Ньюком подтвердил наличие 305-дневных изменений широты с амплитудой ±0", 05±0", 03, о чем Кельвин сообщил в 1876 г. в речи перед Британской ассоциацией, как о достаточно убедительном доказательстве существования свободной нутации.

* Контракция - сжатие, стягивание, сжимание, например, сжатия и деформации земной коры, вызываемые уменьшением объема внутренних подкорковых масс вследствие их охлаждения (прим. ред.).

** Величина, характеризующая распределение масс и фигуру Земли, определяется по скорости перемещения линии пересечения экватора с эклиптикой (большой круг небесной сферы, по которому перемещается центр Солнца), равной 50" - предварение равноденствия (прим. авт.).

стр. 28

Перемещение системы Земля-Луна вокруг Солнца. Центр масс Земля-Луна (барицентр) В движется с годовой периодичностью вокруг Солнца. Земля, так же как и Луна, обращается вокруг В с месячной периодичностью по эллиптической орбите, большая полуось которой П(Т) не остается фиксированной, а изменяет положение с периодом 8,85 лет. Размеры орбит для наглядности существенно отличны от реальности.

Затем немецкие ученые, переопределяя постоянную аберрацию* в обсерватории Берлина, наблюдая за одними и теми же звездами в утренние часы в 1884 - 1885 гг., нашли расхождение в их положении порядка ±0",204±0,025.

Далее. Международная геодезическая ассоциация принимает решение осуществить синхронные наблюдения в обсерваториях, расположенных на 180° по долготе друг от друга. Астрономы провели их в Берлине и Гонолулу и в 1891 г. установили: процесс изменяемости широт - глобальный, его амплитуда достигает величины 0",5. Причина процесса в этом эксперименте не определялась, устанавливалась только его масштабность.

Таким образом, на основании результатов исследований Ньюкома ученые признали наличие вариации широт с периодом в 305 суток, что позволило говорить о существовании свободной нутации.

С 1891 по 1892 г. в печати появилось несколько работ американского астронома С. К. Чандлера (1846 - 1913), главное содержание которых сводилось к эмпирическим соотношениям, объясняющим процесс изменения широт, полученным в 17 обсерваториях за время с 1837 по 1891 г. Суть состояла в следующем: вариаций широт в 300 суток нет.

Среднемесячные изменения их величин изображаются кривой, являющейся результирующей двух кривых, налагающихся одна на другую. Первая - вариация в 427 суток, с амплитудой около 0", 12, вторая - 365 суток, амплитуда лежит между 0",04 и 0",20. Эти изменения подвержены систематическим колебаниям с периодичностью шесть-семь лет.

В сложившейся ситуации в сложном положении оказался Ньюком. Сначала он поставил под сомнение материалы Чандлера, но полноценность его наблюдений выдержала критический анализ. Тогда Ньюком опубликовал статью "О динамике вращения Земли, применительно к периодичности изменения широт", выдвинув гипотезу: изменение широт необходимо рассматривать как свободную нутацию, но имеющую продолжительность не 305, а 410 - 440 суток. При этом четвертую часть увеличения этого времени он относил на счет влияния подвижности океана, а остальную связывал с упругостью Земли.

Гипотеза Ньюкома на первый взгляд казалась очень странной. Он предлагал считать, что какой бы ни был зарегистрирован период изменения широт - это все равно проявление свободной нутации: ведь Чандлер зафиксировал и периодичность, равную 365 суткам, т.е. году. Выходит, ее можно учитывать, как свободную нутацию? Оказывается, нельзя. И лишь потому, что это время орбитального движения планеты, точнее, центра масс Земля-Луна.

Тогда логично задать следующий вопрос: а есть ли в характеристиках оборотов земного шара и Луны периодичность в 410 - 440 суток?

Попробуем найти ответ и на этот вопрос. Так, перемещение нашей планеты относительно Солнца представляет собой сумму двух движений: годичного и месячного относительно барицентра**.

Для наглядности вышесказанного рассмотрим повторяемость положения Земли на эллиптической орбите относительно направления большой полуоси, определяемой положением ее перигея и относительно направления "Солнце-барицентр". Обратим внимание, что привычные термины новолуние и полнолуние применимы и к положению Земли относительно линии "Солнце-барицентр".

Пусть в начале года полнолуние приходится на момент прохождения Землей перигея орбиты. В последующие месяцы моменты прохождения линии "Солнце-барицентр" (т.е. полнолуния, новолуния) и перигея Землей не будут совпадать, соответственно от месяца к месяцу будет меняться модуль (величина) возмущения движения планеты.

Положение линии пересечения плоскости орбиты Земли (Луны) с эклиптикой определяется через долготу восходящего узла, которая изменяется во времени с периодом в

* Изменение направления светового луча из-за движения источника и приемника света относительно друг друга; вызывает смещение видимого положения светила на небесной сфере (прим. ред.).

** Центр массы Земля-Луна, находящийся на расстоянии 4672 км от центра Земли в направлении Луны; вокруг этого центра и Земля, и Луна описывают свои орбиты в течение месяца (прим. ред.).

стр. 29

18,6 лет. Большая полуось эллиптической орбиты Земли не фиксирована в пространстве, долгота ее перигея возрастает по прямому движению светил с периодичностью в 8,85 лет. Изменение взаимной ориентировки восходящего узла и перигея составляет 6 лет. Заметим, что продолжительность аномалистического лунного месяца* меняется из-за возмущений в очень большом диапазоне - 25 - 29 суток. Эти числа говорят о значительной величине возмущений Солнцем месячного орбитального движения и Луны, и Земли.

Повторение исходной конфигурации, т.е. полнолуние в перигее, произойдет через 412 суток, ибо большая полуось не остается фиксированной в пространстве. Если учесть, что орбита наклонена, то к рассмотрению должна быть привлечена цикличность изменения угла между узлом и перигеем. Значит, в этом случае исходная конфигурация их расположения может повториться только через шесть лет. Следовательно, продолжительность квазиповторяемости места нахождения Земли на наклонной эллиптической орбите относительно линии "Солнце-барицентр" определяется в диапазоне 412 - 437 суток и, соответственно, с этой периодичностью будет меняться модуль возмущенного орбитального ускоренного движения Земли вокруг барицентра, достигающий значения порядка 19·10^-6 см/с² .

Таким образом, 410 - 440 суток - это цикличность возмущения от месяца к месяцу орбитального движения Земли (Луны) вокруг барицентра. Чандлер обнаружил ее в материалах изменения широт по среднему значению 0,1 года, тем самым сделал крупное открытие, которое, в свою очередь, нуждалось в модельном объяснении. А гипотеза Ньюкома, предложившего подгонять период в 305 суток под 410 - 440 суток, не выдерживает критики.

Процесс изменения широт - самостоятельное явление, не связанное со свободной нутацией: ведь ось вращения меняет свое положение не только при последней, но и при перераспределении масс, из-за которых перестраивается их центр в теле Земли.

Кстати, интерес к пониманию данной проблемы ученые проявляли очень давно. Так, в переписке великого отечественного естествоиспытателя XVIII в. М. В. Ломоносова есть описание изготовленного им инструмента и намерений его использования. Сказано следующее: "...сделал четыре новоизобретенных мною пендула (маятника. - Ю. А.)..., чтобы узнать, всегда ли с Земли центр, притягивающий к себе тяжелые тела, стоит неподвижно или меняет место". Измерения ученый проводил с 1756 по 1764 г. Но из-за несовершенства инструмента, его невысокой точности он констатировал: "колебания силы тяжести столь малы, что упомянутым прибором не могли быть подмечены".

Для исследования этой проблемы достаточно рассмотреть общие структурные схемы строения Земли. Согласно им, наша планета - эллипсоид, состоящий из твердой (упругой) оболочки, чья толщина - 2900 км, а масса - 4,1·10²⁷ г. Внутри нее находится полость, заполненная жидкостью массой 1,8·10²⁷ г. В центре планеты - твердое внутреннее ядро (сфероид), радиус которого составляет 1220 км, а масса 0,1·10²⁷ г. Он "взвешен" в окружающей жидкости, различие их плотностей - 0,1 - 0,5 г/см³ . Механическая связь сфероида со всей Землей характеризуется коэффициентом, с помощью которого можно пересчитать величину внешнего воздействия его перемещения.

Итак, вокруг Солнца движется система "планета-спутник - Земля-Луна". Притяжение нашего дневного светила динамически уравновешено не в центре Земли, а в центре масс Земля-Луна. Следовательно, на внутреннее ядро будет воздействовать меняющаяся с месячной периодичностью сила, под действием которой оно начнет трансформировать свое положение.

Если в Земле это ядро перемещается, то положение центра масс не остается фиксированным. Ось вращения будет их отслеживать, а специалисты смогут регистрировать данный процесс как движение полюса или изменение широт. Результаты астрономических наблюдений получают модельное обоснование, не противоречащее современным знаниям о строении Земли и фундаментальным константам сегодняшней науки. Это - закономерный шаг в познании процессов, происходящих на планете.

Графики изменения положения полюса, построенные по среднегодовым значениям, имеют, как отмечалось выше, цикличность порядка шести лет, т.е. отражают изменения взаимной ориентировки узла и перигея орбиты Земли вокруг барицентра. Последнее время, когда появилась возможность перейти от среднемесячных значений к их регистрации с интервалом в несколько суток, детальные радиоинтерферометрические наблюдения** выявили двухнедельные вариации в изменениях широт.

Вынужденным перемещением ядра в окружающей жидкости должны сопутствовать и такие магнитогидродинамические процессы, как образование пограничных слоев его внешних и внутренних частей. Наличие этих слоев даст о себе знать в характеристиках наблюдаемого магнитного поля. Сегодня становится и более понятной корреляция сейсмичности*** с процессом изменчивости широт. А причина общая: воздействие приливных сил, которые проявляются в разности амплитуд отклонения полюса и трансформации напряженного состояния земной коры.

Словом, при всей незначительности внешнего проявления изменения широт имеют большую геофизическую значимость и несут важную информацию о процессах, происходящих внутри нашей планеты. По мере накопления знаний о ней расширяются более обстоятельные объяснения наблюдаемых природных явлений. Что же касается основных закономерностей, установленных первооткрывателями, то они, конечно, сохраняются, хотя, разумеется, совершенствуются их модельные трактовки, соответствующие общему ходу развития естествознания.

* Промежуток времени в 27,6 средних солнечных суток между двумя последовательными прохождениями Луны через перигей (прим. ред.).

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

*** См.: В. А. Моргунов. Прогноз землетрясения на завтра. - Наука в России, 2004, N 1 (прим. ред.).

Постоянный адрес данной публикации: