Вращение Земли от архея до наших дней
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Солнечная система
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Автор:
Киселев Валерий Михайлович
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 262
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7638-3199-3
Артикул: 632997.01.99
Представлен анализ и дана интерпретация эмпирических данных об особенностях вращения Земли вокруг своей оси с характерными временами
от суток до сотен миллионов лет. Показано, что в интервале астрономических наблюдений в изменениях продолжительности земных суток присутствует заметная по величине солнечно обусловленная часть. Приливное взаимодействие в системе «Земля - Луна - Солнце» рассмотрено в соответствии с теорией Макдональда - Голдрайха. Представлен расчет приливной эволюции системы «Земля - Луна» до 4 млрд лет в прошлое. Для широкого круга астрономов, геофизиков, геологов, студентов старших курсов вузов и аспирантов.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ В.М. Киселев ВРАЩЕНИЕ ЗЕМЛИ ОТ АРХЕЯ ДО НАШИХ ДНЕЙ Монография Красноярск СФУ 2015
УДК 521.93 ББК 22.654.13 К44 Р е ц е н з е н т ы: В.В. Денисенко, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отдела вычислительной физики Института вычислительного моделирования СО РАН; В.Б. Кашкин, доктор технических наук, профессор радиотехники СФУ Киселев, В.М. К44 Вращение Земли от архея до наших дней: монография / В.М. Киселев. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2015. – 262 с. ISBN 978-5-7638-3199-3 Представлен анализ и дана интерпретация эмпирических данных об особенностях вращения Земли вокруг своей оси с характерными временами от суток до сотен миллионов лет. Показано, что в интервале астрономических наблюдений в изменениях продолжительности земных суток присутствует заметная по величине солнечно обусловленная часть. Приливное взаимодействие в системе «Земля – Луна – Солнце» рассмотрено в соответствии с теорией Макдональда – Голдрайха. Представлен расчет приливной эволюции системы «Земля – Луна» до 4 млрд лет в прошлое. Для широкого круга астрономов, геофизиков, геологов, студентов старших курсов вузов и аспирантов. Электронный вариант издания см.: УДК 521.93 http://catalog.sfu-kras.ru ББК 22.654.13 ISBN 978-5-7638-3199-3 © Сибирский федеральный университет, 2015
Предисловие 3 Светлой памяти своего Учителя Юрия Дмитриевича Калинина посвящаю ПРЕДИСЛОВИЕ Юрий Дмитриевич Калинин (1910–2001), специалист с мировым именем в области геомагнетизма, был одним из первых, кто вариации в скорости суточного вращения Земли связал с изменениями ее главного магнитного поля. Эта мысль была высказана им задолго до создания теории гидромагнитного динамо Земли, до понимания физических процессов, которые генерируют геомагнитное поле и его вековые вариации. С конца 60-х – начала 70-х годов прошлого столетия Ю.Д. Калинин начал целенаправленно развивать гипотезу о солнечной обусловленности планетарных геофизических процессов, неравномерности суточного вращения Земли в том числе. Эта гипотеза базировалась на исключительной научной эрудиции Ю.Д. Калинина, который был прекрасно осведомлен, во-первых, об уже имеющихся работах на эту тему отечественных и зарубежных ученых (А.Л. Чижевского, М.С. Эйгенсона, А. Данжона и др.), во-вторых, о последних достижениях в области исследований активности Солнца, включая космические эксперименты. Важную роль в этом сыграло и то обстоятельство, что Ю.Д. Калинин был главным редактором созданного им журнала «Геомагнетизм и аэрономия», поддерживал научные контакты практически со всеми академическими институтами и известными учеными, которые занимались исследованиями Земли, Солнца и межпланетного пространства. Надо отметить, что переход в стан сторонников реальности солнечно-земных связей в 60-е – 70-е годы прошлого столетия такого маститого ученого, как Ю.Д. Калинин, – это был Поступок. Дело в том, что в те годы многие ученые весьма скептически относились к результатам сопоставлений различных явлений в биосфере и геосферах с солнечными пятнами, которые долго рассматривались как единственная характеристика солнечной активности. Ю.Д. Калинин был прекрасно осведомлен обо всех теоретических и экспериментальных работах по солнечно-земной физике и отчетливо понимал, что эволюция пятен в фотосфере Солнца – это только одно из проявлений переменной активности нашего светила. Результаты
Предисловие 4 первых же измерений с использованием космических аппаратов (КА), выведенных в межпланетное пространство, показали, что Земля со своим магнитным полем находится в расширяющейся солнечной атмосфере с заметно изменяющимися с течением времени физическими параметрами. Наше научное сотрудничество с Ю.Д. Калининым началось в 1975 году в лаборатории геомагнитных исследований, которой он заведовал в Красноярском институте физики. Под его руководством я начал искать статистические доказательства солнечной обусловленности неравномерности суточного вращения Земли. 1975–1980 годы – это годы нашего тесного взаимодействия, участия в многочисленных научных конференциях и симпозиумах. Юрий Дмитриевич познакомил меня со своими коллегами из ИЗМИРАН, СибИЗМИР (ныне Институт солнечно-земной физики СО РАН), Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта, Института геофизики Грузинской АН и других научных подразделений, занимающихся проблемами планетарной геофизики и солнечной физики. С ними мы обсуждали наши проблемы, от них получали много дополнительной информации для развития своих идей. Огромное впечатление на меня, начинающего исследователя, произвело участие в международном симпозиуме по проблемам астрофизики и космологии в 1976 году, на котором я имел счастье слушать доклады и выступления Я.Б. Зельдовича, И.Д. Новикова, И.С. Шкловского, Л.М. Озерного и многих других известных отечественных и зарубежных астрофизиков. Мне кажется, что именно тогда, в 1976 году, я понял, что такое настоящая наука. В дальнейшем, работая уже в системе высшей школы, я старался придерживаться тех принципов работы со своими учениками, которыми руководствовался Юрий Дмитриевич. Главные из них: во-первых, уважительно относиться к своему молодому коллеге по науке, во-вторых, не мешать ему работать, в-третьих, своевременно исключать ошибочные направления в его деятельности и, наконец, по возможности ограждать его от влияния внешних, мешающих основной деятельности, факторов. После 1980 года у нас с Ю.Д. Калининым нет совместных публикаций, однако это было его личное решение, такой у него был принцип, которого он неукоснительно придерживался в отношении своих учеников. Однако практически все работы, опубликованные мной после 1980 года по проблеме суточного вращения Земли, обсуждались с ним. В конечном счете докторская диссертация на тему «Особенности суточного вращения Земли» в 1996 году была представлена к защите (и успешно защищена) после прочтения и одобрения ее Ю.Д. Калининым.
Предисловие 5 Книга, которую я представляю на суд читателю, посвящена анализу особенностей суточного вращения Земли с характерными временами от суток до миллиардов лет. Проблема неравномерности суточного вращения Земли относится к междисциплинарным проблемам. Для ее понимания, а тем более для решения конкретных задач необходимы определенные знания по астрономии, по физике Земли, атмосферы и океана, по физике околоземного космического пространства и физике Солнца. Естественно, что изложить все эти разделы знаний в полном объеме в одной книге не представляется возможным, поэтому для углубленного изучения того или иного раздела этой книги необходимо обратиться к дополнительной научной и учебной литературе, некоторый список которой прилагается. В 1980 году вышла в свет книга «Неравномерность суточного вращения Земли», в которой были подведены итоги нашей совместной с Ю.Д. Калининым научной деятельности. За 30 с лишним прошедших лет накоплены качественно новые данные как о вращении Земли вокруг своей оси, так и о возможных причинах, которые порождают нестабильности (по терминологии Н.С. Сидоренкова) в ее вращении. Поэтому назрела необходимость ревизии тех результатов, которые были получены нами в 1976–1980 годах. Кроме того, представляется уместным изложить результаты исследований вращения Земли в историческом прошлом и расчеты эволюции системы «Земля – Луна» в геологическом прошлом с учетом современных геодинамических данных. При написании этой книги невозможно было избежать употребления специальной терминологии, используемой в тех или иных разделах наук о Земле, а также обозначений разных физических величин одинаковыми символами. Эти специальные термины и обозначения большей частью объяснены в тексте, а если имеются упущения на этот счет, то автор полностью берет вину на себя. Значительная часть исследований, представленных в этой книге, была выполнена при финансовой поддержке Комитета по высшей школе в рамках межвузовской научно-исследовательской программы «Геокосмос», Российского фонда фундаментальных исследований и Красноярского краевого фонда науки. Автор глубоко признателен за помощь в работе над рукописью сотрудникам и студентам кафедры геофизики Института нефти и газа Сибирского федерального университета.
Введение 6 ВВЕДЕНИЕ Особенности суточного вращения Земли непосредственно выявляются из анализа современных и прошлых астрономических наблюдений, что позволяет отнести исследование этих особенностей к одному из разделов астрономии, а именно к астрометрии. Вращение Земли вокруг своей оси дает основу для определения систем координат (земной и небесной), систем отсчета времени в астрономии. В настоящее время в связи с необходимостью с высокой точностью определять координаты естественных и искусственных небесных тел, координаты точек на земной поверхности, решать другие научные и прикладные задачи, требования к точности астрометрических данных постоянно растут. Однако наша планета не является идеальным ротатором, поэтому необходимо с минимальной погрешностью вычислять и даже предсказывать особенности ее вращения вокруг своей оси. Дело осложняется тем, что происхождение различных особенностей во вращении Земли связано не только с действием гравитационных сил в Солнечной системе, которые в настоящее время рассчитывают с высокой точностью, но и со сложно протекающими физическими процессами в твердом теле Земли, на ее поверхности (в атмосфере и в Мировом океане) и даже в околоземном космическом пространстве. Таким образом, получение данных наблюдения об особенностях вращения Земли – это прерогатива астрономии, а интерпретация этих данных относится к задачам геофизики и космофизики. Особенности (или неправильности) во вращении Земли выражаются в следующем: 1) ось вращения не сохраняет своего направления в пространстве; 2) ось вращения не сохраняет своего положения относительно поверхности Земли; 3) угловая скорость вращения Земли относительно мгновенной оси переменна. В настоящее время наиболее ясным представляется происхождение первой из названных особенностей, которая проявляется как прецессия земной оси относительно направления на полюс эклиптики с периодом 25 800 лет и нутация земной оси с периодом 18,6 года. Изменения направления земной оси в пространстве обусловлены, главным образом, гравитационным воздействием Луны, Солнца и планет на экваториальное вздутие Земли. Величина этого воздействия определяется топологией гравитационного потенциала в Солнечной системе, следовательно, может быть достаточно точно рассчитана. Изменения периодов и углов прецессии и нутации заметны только в геологических масштабах времени.
Введение 7 Гораздо сложнее обстоит дело со второй и третьей особенностями, которые проявляются соответственно как движение полюсов относительно поверхности Земли и изменения продолжительности земных суток. Вообще говоря, обе эти особенности следует рассматривать совместно, поскольку они характеризуют изменения вектора угловой скорости в системе координат, которая вращается вместе с Землей вокруг оси, направленной на полюс мира. Однако чаще всего движение полюсов и изменения продолжительности суток обсуждаются отдельно. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, движение полюсов (качание тела Земли относительно средней оси) обнаруживается по наблюдениям изменений широт точек на земной поверхности, а изменения продолжительности суток – исходя из определений времени, т. е. в основе наблюдений изменений направления и величины вектора угловой скорости вращения Земли лежат различные астрономические методы. Вторая причина, более существенная, состоит в том, что до настоящего времени недостаточно понятно происхождение как движения полюсов, так и неравномерности суточного вращения Земли. В такой ситуации представляется целесообразным прежде всего выявить причины происхождения движения полюсов и вариаций продолжительности земных суток отдельно, с тем чтобы в будущем создать общую теорию неправильностей вращения Земли вокруг своей оси. Классическим научным трудом, в котором впервые были четко сформулированы геофизические аспекты проблемы неправильностей во вращении Земли, является, безусловно, книга У. Манка и Г. Макдональда «Вращение Земли» [117] (оригинальное издание вышло в 1960 году). С того времени опубликовано колоссальное количество научных статей, немало тематических сборников статей и книг, в которых представлена новая информация как об особенностях вращения Земли, так и о явлениях, которые могут быть их причинами. Одними из первых книг на эту тему были моя небольшая монография [91] и обстоятельный труд К. Ламбека [276], вышедшие в 1980 году. Важнейшие достижения в этой области нашли отражение в сборниках научных трудов «Tidal Friction and the Earth’s Rotation» (1978, 1982), «Earth’s Rotation from Eons to Days» (1990), «Актуальные проблемы геодинамики» (1991) и др., в книгах Г. Мориц, А. Мюллера [127] и Н.С. Сидоренкова [174; 175]. Некоторые особенности во вращении Земли – такие как приливные и сезонные вариации продолжительности суток или годовое движение полюса – получили практически однозначную физическую интерпретацию [174]. В отношении других (например, флуктуаций продолжительности
Введение 8 суток от года к году и их вековых изменений) достигнут определенный прогресс в понимании причин их происхождения [91]. Однако по мере накопления новых эмпирических данных и развития теоретических представлений проблема неправильностей во вращении Земли каждый раз предстает в новом качестве. Это, с одной стороны, создает дополнительные трудности в ее решении, с другой – дает важную дополнительную информацию о внутреннем строении Земли, ее эволюции и взаимодействии с околоземным пространством и Солнцем. Переменность угловой скорости вращения Земли удобно характеризовать отклонением δпродолжительности наблюдаемых суток от какихнибудь стандартных суток , в качестве которых обычно рассматривают продолжительность средних солнечных суток на эпоху 1900.0 (86400 c). Изменения продолжительности суток вычисляют как производную от разности Δмежду Всемирным временем, определяемым суточным вращением Земли, и равномерным временем, определяемым каким-нибудь независимым от вращения Земли способом. Изменения угловой скорости вращения Земли δΩ пропорциональны с обратным знаком вариациям продолжительности суток, т. е. δΩ~ δ. Из всех трех перечисленных особенностей во вращении Земли переменность ее угловой скорости представляет собой наиболее сложное и интересное явление. Сложность его заключается в том, что вариации продолжительности суток δхарактеризуются набором компонент с периодами (или характерными временами) от нескольких дней до 10лет. Возможные причины происхождения этих компонент – широкий спектр эндогенных и экзогенных геофизических процессов, гравитационное взаимодействие Земли с Луной и Солнцем, а также ее взаимодействие с волновым и корпускулярным излучением Солнца. Все это не может не вызывать повышенного интереса к неравномерности вращения Земли как к интегральному отклику на те процессы, которые протекают внутри и вне нашей планеты. Наблюдаемые изменения скорости суточного вращения Земли удобно разделить на короткопериодные вариации с характерными временами короче одного года, вариации (или флуктуации) от года к году с характерными временами до 10лет, вековые вариации и, наконец, изменения суточного вращения в геологическом масштабе времени. Первым по времени было открыто и исследовано вековое замедление в суточном вращении Земли в историческом интервале по данным древних астрономических наблюдений, в первую очередь солнечных и лунных за
Введение 9 тмений [117]. Основанием для таких исследований послужили обнаруженное астрономами еще на заре телескопических наблюдений вековое ускорение Луны и теория приливного замедления суточного вращения Земли, которую в конце XIX века в общих чертах представил Дж. Дарвин. Вековое замедление в суточном вращении Земли характеризуется скоростью изменения продолжительности средних суток порядка 2 мс век ⁄ ⁄ . Это много меньше по абсолютному значению, чем скорость изменения продолжительности суток от года к году (~ 0,1 мс год ⁄ ⁄ ), от месяца к месяцу (~ 0,1 мс месяц ⁄ ⁄ ) и ото дня ко дню (~ 0,1 мс сут ⁄ ⁄ ). Однако в отличие от короткопериодных вариаций δприливные изменения продолжительности суток постоянны по знаку. Это приводит к накоплению невязки в долготе светил (Солнца, Луны и планет), которую можно пересчитать в невязку Δмежду временем, определяемым суточным вращением Земли (Всемирным временем), и равномерным временем, в котором рассчитываются эфемериды светил (Динамическим временем). В историческом интервале пригодными для вычисления таких невязок, следовательно, и для вычисления приливного замедления суточного вращения Земли оказались данные наблюдений солнечных и лунных затмений, а также покрытий Луной ярких звезд. Пионерские исследования этой особенности во вращении Земли принадлежат Д. Фотерингему и В. де Ситтеру [117], а затем работу в этом направлении с учетом новых данных продолжили Р. Ньютон [301], Ф. Стефенсон, Р. Мюллер, Л. Моррисон [298; 328–330] и другие. Результаты ранних и современных исследований суточного вращения Земли по данным анализа древних затмений в 1997 году обобщил в своей монографии Ф. Стефенсон [331]. Вековые изменения продолжительности суток с характерными временами порядка 10лет в качестве главной причины имеют приливное трение (преимущественно в гидросфере). Хотя не исключено, что немалый вклад в вековые изменения δвносят процессы перераспределения влаги между Мировым океаном и ледниками планеты [167–169], связанные с этим и с ростом земного ядра изменения полярного момента инерции Земли [98; 223] и, наконец, вековые изменения солнечной активности [92; 94]. По сравнению с первыми исследованиями векового замедления суточного вращения Земли, описанными У. Манком и Г. Макдональдом [117], в настоящее время ситуация выглядит более определенной по отношению к эмпирическим данным [329] и менее понятной (но и более интересной) в связи с возможным вкладом в это замедление неприливных факторов.