Нестабильность вращения Земли

Н.С. Сидоренков

Вращение Земли вокруг своей оси испокон веков используется человеком для измерения времени. В астрономии и геодезии оно лежит в основе введения различных систем координат. Однако при вращении Земли меняется ее скорость, движутся географические полюса, колеблется ось вращения в пространстве. Эта нестабильность искажает координаты небесных и земных объектов. Неравномерность вращения и движение полюсов вызываются процессами, протекающими на планете, и зависят от особенностей строения и физических свойств земных недр.

Астрономические данные. Сомнения в постоянстве скорости суточного вращения Земли возникли после открытия Э. Галлеем в 1695 г. векового ускорения движения Луны. Мысль о вековом замедлении вращения Земли под действием приливного трения была впервые высказана И. Кантом в 1755 г. Во второй половине прошлого столетия были получены свидетельства о нерегулярных флуктуациях скорости вращения планеты и движении географических полюсов. С тех пор за неравномерностью вращения и движением полюсов ведутся регулярные наблюдения.

Скорость вращения Земли можно охарактеризовать отклонением длительности земных суток от эталонных, равных 86400 с. Чем короче земные сутки, тем быстрее вращается Земля. До создания очень точных атомных часов скорость вращения контролировалась благодаря сравнению наблюденных и вычисленных (в соответствии с небесно-механическими теориями) координат планет. Так удалось получить представление об изменении скорости вращения Земли в течение последних трех столетий (рис. 1). С начала XVIII до середины XIX в. скорость вращения Земли менялась мало. Со второй половины XIX в. по настоящее время наблюдаются значительные нерегулярные флуктуации угловой скорости вращения с характерными временами порядка 60-70 лет. Быстрее всего Земля вращалась в 1870 г., когда длительность суток была на 0.003 с короче эталонных, а медленнее всего - в 1903 г. (земные сутки были длиннее эталонных на 0.004 с). С 1903 по 1934 г. происходило ускорение вращения Земли, с конца 30-х годов до 1972 г. наблюдалось замедление, а с 1973 г. по настоящее время Земля ускоряет свое вращение. Колебание угловой скорости вращения Земли, наблюдавшееся в XX в. (с 1903 по 1972 г.) часто называют 60-70-летним. В XIX в. колебание примерно того же периода было зафиксировано с 1845 по 1903 г. В более раннюю эпоху 60-70-летние колебания не прослеживаются. К сожалению, данные XVII-XVIII вв. имеют низкую разрешающую способность, так как тогда интервалы времени между наблюдениями иногда достигали 29 лет.

Точность определения неравномерности вращения Земли улучшилась в 1955 г. - после того как стали использоваться атомные часы. С этого момента появилась возможность регистрировать колебания скорости вращения Земли с периодами более одного месяца. Ход среднемесячных величин скорости вращения за период 1955-2000 гг. показан на рисунке 2. Скорость вращения Земли бывает наименьшей в апреле и ноябре, а наибольшей - в январе и июле. Январский максимум значительно меньше июльского. Разность между минимальной величиной отклонения длительности земных суток от эталонных в июле и максимальной в апреле или ноябре составляет 0.001 с.

Сезонные колебания обычно описывают суммой годовой и полугодовой гармоник. Их амплитуды и фазы от года к году меняются, обнаруживая интересные закономерности. Амплитуда годовой гармоники меняется с характерным временем около шести, а полугодовой - около двух лет. Средняя величина амплитуд годовой и полугодовой гармоник равна соответственно 0.00035 и 0.00032 с.

В 80-е годы астрооптические наблюдения были заменены новыми методами измерений: лазерная локация спутников (ЛЛС) и Луны (ЛЛЛ), системы глобального позиционирования (СГП) и т.д. Точность определения Всемирного времени увеличилась на два порядка. В итоге появилась возможность изучать колебания скорости вращения Земли с периодами до суток, а в отдельные моменты специальных серий наблюдений - до нескольких часов.

На рисунке 3 воспроизведен суточный ход значений отклонений длительности суток в 2000 г. Здесь, помимо сезонных изменений, обусловленных гидроме-теорологическими процессами, хорошо видны приливные колебания скорости вращения Земли. По величине размаха они немного уступают сезонным колебаниям, но их периоды в десятки раз короче сезонных (близки к 14 суткам).

Эффективным инструментом исследования цикличностей является спектральный анализ. Он заключается, во-первых, в представлении изучаемых колебаний в виде суммы элементарных гармоник, и, во-вторых, в выявлении зависимости средних квадратов амплитуд этих гармоник от их частоты или периода, то есть в нахождении спектральной функции.

В приливных колебаниях скорости вращения Земли выделяются составляющие с периодами в год, полгода, 13.7; 27.3; 9.1 суток. Спектральный анализ 350-летнего ряда среднегодовых значений дает максимум спектральной плотности на периоде около 70 лет. Колебание с этим периодом особенно заметно проявлялось в последние 150 лет. В начале XX в. амплитуда 70-летнего колебания достигала 2 месяцев.

Изменяется не только угловая скорость Земли. Наша планета совершает небольшие колебания относительно оси вращения. Поэтому движутся точки, в которых ось пересекает земную поверхность (мгновенные полюса Земли). Они перемещаются по земной поверхности вокруг среднего полюса в направлении вращения Земли, то есть с запада на восток. Траектория движения полюса имеет вид спирали, которая периодичес