Вращение Земли
Враще́ние Земли́, вращательное движение Земли с запада на восток вокруг мгновенной оси, проходящей через центр масс Земли и меняющей своё положение в теле Земли и в пространстве. В среднем угол между осью вращения Земли и плоскостью эклиптики составляет 66° 34′, а полный оборот вокруг оси Земля совершает примерно за 23 ч 56 мин 4,1 с (звёздные сутки). Вращение Земли служит естественной шкалой времени, объясняет смену дня и ночи, восход и заход светил, отличие фигуры Земли от шара, некоторые особенности циркуляции атмосферы и др. При точных астрономических наблюдениях обнаруживается ряд явлений, также обусловленных вращением Земли: суточная аберрация света, суточный параллакс Луны и др.
Нестабильности вращения Земли
Вращение Земли – процесс нестабильный и неравномерный. Под влиянием приливного трения (приливов и отливов) вращение Земли замедляется, вследствие чего продолжительность суток возрастает на 1–2 мс в столетие. Наблюдаются также незначительные периодические изменения продолжительности суток.
Ориентация оси вращения Земли относительно плоскости эклиптики.Первые сомнения в постоянстве скорости вращения Земли возникли после открытия Э. Галлеем в 1693 г. векового ускорения движения Луны. И. Кант считал, что Земля должна замедляться под действием приливного трения (1754). Теория вращения твёрдого тела была разработана Л. Эйлером в 1765 г. В 1827 г. П.-С. Лаплас указал на то, что, согласно законам механики, всевозможные перемещения масс на планете: вулканические извержения, приливы и отливы, землетрясения, ветра́ и пр. – должны быть причиной неравномерностей её вращения. В 20 в. после изобретения кварцевых часов были открыты сезонные колебания длительности суток, вызванные различными геофизическими процессами, а после появления атомных стандартов частоты – уточнены амплитуды годичных и полугодичных колебаний: соответственно 3,7 ∙ 10–4 и 3,4 ∙ 10–4 c.
Плоскость, перпендикулярная оси вращения Земли, называется экваториальной. Экваториальная плоскость и плоскость эклиптики претерпевают сложные перемещения в пространстве, вызванные гравитационным влиянием Луны, Солнца и планет. Точки пересечения оси вращения Земли с её поверхностью называются географическими полюсами. Изменение положения оси вращения Земли (и её полюсов) вызывает изменение широт и долгот точек земной поверхности. В 19 в. был обнаружен и подтверждён многочисленными наблюдениями факт изменяемости географической широты места. В 1891 г. С. Чандлер обнаружил годичную и 427-суточную периодичность в изменении широт пунктов на поверхности Земли и дал интерпретацию этого явления (Chandler. 1891).
Вековое движение полюса Земли в интервале 1900–2000 (жирная линия) и полодия в интервале 1995–2000 (спираль). Отсчёт координат ведётся от условного международного начала (CIO).Движение полюсов – процесс сложный и нерегулярный, зависящий от многих плохо предсказуемых факторов, и определяется только из непрерывных наблюдений. Для изучения причин этого явления в 1899 г. была создана Международная служба широты, в состав которой вошли 5 обсерваторий, расположенных на широте 39° 08′ и проводивших исследования с помощью специализированных оптических телескопов. Её современной преемницей является Международная служба вращения Земли, в составе которой работают более 200 обсерваторий.
Методы исследования вращения Земли
C конца 20 в. исследования вращения Земли выполняются с применением нескольких пространственно-геометрических методов наблюдения, каждый из которых позволяет определять некоторый набор геодинамических параметров. Для этих целей используются: радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ), глобальные спутниковые системы навигации (ГЛОНАСС, GPS, «Галилео»), система доплеровских наблюдений (DORIS), лазерная локация спутников Земли (ЛЛС), лазерная локация Луны (ЛЛЛ), методы спутниковой альтиметрии, методы спутниковой градиентометрии.
Метод РСДБ позволяет измерять разность времени прихода микроволнового сигнала от внегалактического радиоисточника (квазара) на приёмные антенны двух или более радиотелескопов, расположенных на разных континентах и даже в космосе. Это даёт возможность определять ориентацию Земли в пространстве с точностью выше 100 мкс дуги. Сессия наблюдений квазаров может продолжаться в течение более 24 ч. Параметры вращения Земли и всемирное время определяются с точностью 60 мкс дуги c задержкой не более 4 ч. Кроме того, определяются приливные деформации Земли (земные приливы), параметры лунно-солнечных приливов и др. Такие наблюдения координируются Международной службой РСДБ для астрометрии и геодезии (англ. International VLBI Service for Geodesy and Astrometry). Сессии наблюдений в геодезических целях проводятся дважды в сутки и служат для самых точных определений продолжительности суток, координат полюса и поправок к нутации Земли. РСДБ является одной из самых точных методик для установления Международной небесной опорной системы координат (ICRF). Каталог Международной службы вращения Земли содержит 608 радиоисточников. Обработка этих данных ведётся во многих обсерваториях мира (в том числе в Институте прикладной астрономии РАН).
Лазерная локация Луны (ЛЛЛ) стала возможной в июле 1969 г., когда американские астронавты в ходе миссии «Аполлон-11» установили на поверхности Луны уголковый отражатель. Два других были доставлены на лунную поверхность последующими миссиями «Аполлон-14» и «Аполлон-15». Советские автоматические межпланетные станции «Луна-17» и «Луна-21» также были оборудованы уголковыми отражателями. Время распространения луча света от лазера на Земле до уголкового отражателя на Луне и обратно определяет мгновенное расстояние между Землёй и Луной. Измерения расстояния Земля – Луна дают возможность определять изменения вращения Земли.
Геодезический искусственный спутник Земли LAGEOS I.Лазерная локация спутников Земли (ЛЛС) – эффективное средство для решения задачи построения геоцентрической системы координат. Измеряемая величина – время прохождения короткого лазерного импульса до спутника и обратно. Геодезические спутники LAGEOS I и II, а также STARLETTЕ, снабжённые уголковыми отражателями, специально были разработаны для изучения геодезических свойств Земли – её гравитационного поля и вращения. По программе Международной службы вращения Земли работает свыше 30 станций. Сеть лазерной локации искусственных спутников Земли (ИСЗ) постоянно модернизируется и расширяется.
Движение полюса и высокочастотные вариации всемирного времени ежедневно определяются с высокой точностью с помощью космических навигационных систем США (GPS) и России (ГЛОНАСС), созданных для определения местоположения объектов.
24 искусственных спутника Земли образуют российскую спутниковую систему навигации ГЛОНАСС (ещё 1 спутник находится на этапе ввода в систему).Космическая система DORIS (англ. Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) была разработана Национальным центром космических исследований Франции (CNES) и утверждена Международной ассоциацией геодезии (IAG) в 1999 г. Сеть транслирующих антенн – маяков DORIS – развёрнута равномерно по земному шару для точного определения орбит ИСЗ с последующим высокоточным определением координат наземных пунктов. DORIS имеет многочисленные приложения в геодезии и геодинамике. Система работает со своими спутниками SPOT-2, SPOT-4, Topex, Poseidon и др.
Вклад различных методов космической геодезии в науки о Земле определяется индивидуальными особенностями и точностью технических средств. РСДБ реализует систему координат ICRF, обеспечивает связь между пространственной инерциальной системой небесных координат и системой координат, жёстко связанной с Землёй, непосредственно наблюдая за изменениями параметров вращения Земли. Основная цель – достижение глобальной точности местоположения 1 мм.
Современные системы определения параметров вращения Земли позволили создать Международную земную систему отсчёта (ITRS) c началом в центре масс Земли, включая её атмосферу и океаны. ITRS базируется на каталогах положений точек на поверхности Земли и реализуется совокупностью наземных станций, ведущих наблюдения при помощи средств РСДБ, ЛЛЛ, ЛЛС, GPS, DORIS, оценками координат станций и скоростей их изменений. ITRS определяется набором предписаний, моделей и соглашений, необходимых для определения трёх ортогональных осей системы на любой момент времени. Моделей много: модели геопотенциала и атмосферы, модель приливов, модель движения плит, гидродинамическая модель и др.
Большинство пунктов наблюдения за астрономическими объектами определяют свои координаты на поверхности Земли и образуют измерительную сеть – Международную земную опорную систему координат (ITRF), в рамках которой вычисляются параметры вращения Земли с высокой точностью.
Появление высокоточных космических астрономических и геодезических методов наблюдения и увеличение наборов геофизических данных позволяет изучать непредсказуемые воздействия экзогенных и эндогенных факторов на кинематику и динамику Земли и изменения во вращении Земли на интервалах времени от часов до столетий.