В 123 г. до н.э. Гиппарх открыл явление предварения равноденствий, или прецессию. В 1755 г. Джеймс Брадлей открыл явление нутации оси вращения Земли. 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 появились свидетельства нерегулярных изменениях скорости вращения Земли и движения географических полюсов. С тех пор за неравномерностью вращения Земли и движением полюсов ведутся регулярные наблюдения.
Скорость вращения Земли наиболее просто можно охарактеризовать отклонением длительности земных суток от эталонных (86 400 с). Точность атомных (цезиевых) часов столь высока, что с их помощью можно проверить ход часов «Земля». Такая «проверка», ведущаяся в Международном бюро времени с 1955 г., показывает, что часы «Земля» идут не лучшим образом. Они иногда спешат, а иногда отстают.
До создания атомных часов ход часов «Земля» контролировался лишь путем сравнения наблюденных и вычисленных координат Луны, Солнца и планет. Таким путем удалось получить представление об изменении скорости вращения Земли в течение последних трех столетий – с конца XVII в., когда стали вестись первые инструментальные наблюдения за движением Луны, Солнца и планет. Оказывается, что с начала XVIII в. до середины XIX в. скорость вращения Земли менялась мало. Со второй же половины XIX в. по настоящее время наблюдались значительные нерегулярные изменения этой скорости с характерными временами порядка 60–70 лет. Наиболее быстро Земля вращалась около 1870 г., когда длительность земных суток была на 0,003 с короче эталонных, а наиболее медленно – около 1903 г. (земные сутки были длиннее эталонных на 0,004 с). С 1903 по 1934 гг. происходило ускорение вращения Земли, с конца 30-х гг. до 1972 г. наблюдалось замедление, а с 1973 г. по настоящее время Земля ускоряет свое вращение. Колебание угловой скорости вращения Земли, наблюдавшееся в ХХ в. (с 1903 г. по 1972 г.) часто называют 60–70-летним. В XIX в. колебание примерно того же периода имело место с 1845 г. по 1903 г. В более раннюю эпоху 60-70-летние колебания не прослеживаются. Точность определения неравномерности вращения Земли радикально улучшилась с 1955 г., после того как стали использоваться атомные часы. С 1956 г. по 1961 г. вращение Земли ускорялось, с 1962 г. по 1972 г. – замедлялось, а с 1973 г. по настоящее время – снова ускорялось. Замедление вращения Земли, закончившееся в 1972 г., началось в 1935 г. Ускорение, возникшее в 1973 г., вероятно, еще не закончилось и продлится до 2005–2010 гг. Ускорение вращения 1958–1961 гг. и замедление 1989–1994 гг. являются кратковременными флуктуациями. На фоне многолетних изменений хорошо видны сезонные колебания. 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.
Исследования последних лет показали, что главной причиной сезонной неравномерности вращения Земли является атмосферная циркуляция. Известно, что в среднем атмосфера движется относительно земной поверхности в низких широтах с востока на запад (дуют восточные ветры), а в умеренных и высоких – с запада на восток (преобладают западные ветры). Момент импульса восточных ветров отрицателен, а западных – положителен. Можно было бы думать, что эти моменты компенсируют друг друга, и момент импульса ветров всей атмосферы всегда равен нулю. Однако расчеты показывают, что момент импульса восточных ветров в несколько раз меньше момента импульсов западных ветров. Поэтому момент импульса ветров всей атмосферы не равен нулю и его величина меняется в течение года.
Момент импульса – это такая физическая величина, которая не может возникать или уничтожаться. Она способна лишь перераспределяться. В рассматриваемом случае перераспределение происходит между атмосферой и Землей. Когда момент импульса атмосферы увеличивается, т.е. усиливаются западные ветры или ослабевают восточные ветры, момент импульса Земли уменьшается, т.е. замедляется ее вращение. Когда же момент импульса атмосферы уменьшается (ослабевают западные или усиливаются восточные ветры), вращение Земли ускоряется. Суммарный момент импульса Земли и атмосферы всегда остается неизменным. Этот результат может служить хорошей иллюстрацией того, что закон сохранения момента импульса справедлив не только в физических лабораторных экспериментах, но и в глобальных масштабах в природе.
Факт, что момент импульса ветров всегда положителен, говорит о том, что атмосфера в целом вращается вокруг оси быстрее Земли. Уподобляя движение атмосферы в целом вращению твердого тела, можно сказать, что период обращения атмосферы вокруг оси составляет в апреле и ноябре 23 ч 36 мин, а в августе – 23 ч 45 мин. В среднем за год сутки для атмосферы длятся 23 ч 38 мин, а не 23 ч 56 мин, как для Земли.
Как известно, около 2% всей воды на Земле находится в замерзшем состоянии (в основном в виде льда). Общая масса льда в современную эпоху равна около 28,4∙1018 кг, причем 90% приходится на ледниковый щит Антарктиды, 9% – на ледник Гренландии и менее 1% составляет масса льда всех остальных горных ледников. Площади ледниковых щитов составляют: в Антарктиде 13,9∙1012 м2, в Гренландии 1,8∙1012 м2, горных ледников – 0,5∙1012 м2.
Если известны массы льда в Антарктиде, Гренландии и воды в Мировом океане, то можно вычислить характеристики вращения Земли – координаты полюса и скорость вращения Земли. Если же эти массы неизвестны, но имеются данные о нестабильностях вращения Земли, то можно решить обратную задачу: по координатам полюса и скорости вращения вычислить ежегодные значения масс льда в Антарктиде, Гренландии и воды в Мировом океане.
Масса ледников значительно меняется во времени. Например, 12 тыс. лет назад растаял громадный ледниковый щит, покрывавший в четвертичном периоде почти всю Русскую равнину и значительные пространства Западной Европы и Северной Америки. Во время малого климатического оптимума, который имел место около тысячи лет назад, у ледникового щита Гренландии была существенно меньшая масса, чем ныне. Такое перераспределение влаги между Мировым океаном и ледниковыми щитами неизбежно сопровождалось изменением момента инерции Земли и должно было приводить к какой-то неравномерности вращения Земли и движению полюсов.
Приливные выступы постоянно перемещаются по земной поверхности вслед за Луной и Солнцем – с востока на запад, т.е. в направлении, обратном суточному вращению Земли. Естественно, что при таком перемещении в океанах и в Земле возникают силы трения, которые тормозят вращение планеты. Благодаря этому и должно происходить вековое замедление вращения Земли. Оценки показывают, что из-за этого сутки должны удлиняться на 0,003 с за 100 лет.
Когда 530 млн лет назад на Земле обитали доисторические праживотные, сутки продолжались 21 час. Для динозавров, живших 100 млн лет назад, новый день начинался через 23 часа после предыдущего. Это хорошо заметно по известковым отложениям кораллов. Кораллы ведут нечто вроде календаря, образуя ежедневно новые известковые отложения, толщина которых варьируется в зависимости от времени года.
На основании этого, удалось вычислить, какой временной промежуток отделяет одну весну от другой. Его продолжительность в истории Земли непрерывно сокращалась. 530 млн. лет назад Земля вращалась вокруг своей оси быстрее, чем сегодня, но вокруг Солнца она вращается в постоянном темпе. Год тогда продолжался столько же часов, сколько и сегодня, однако дней в году было 420. За время существования человечества вращение Земли, по свидетельству достоверных источников, продолжало замедляться, утверждает в Journal for the History of Astronomy (т. 39, стр. 229, 2008) Ричард Стефенсон из университета Дарема в Великобритании. Стефенсон опирается на описания сотен солнечных и лунных затмений последних 2700 лет.
Лучше всего замедление вращения Земли подтверждают глиняные таблички дохристианского Вавилона, пишет Стефенсон. Клинописью на глине вавилонские ученые зафиксировали точное место и время небесных явлений. Кроме того, Стефенсон изучал документы китайского и европейского происхождения. В любом месте Земли полное солнечное затмение можно наблюдать примерно один раз в 300 лет.
Часто с высочайшей точностью отмечалось, на какое число и какое время приходилось самое начало солнечного затмения и его окончание. Этих двух данных астроному было достаточно, чтобы определить точное положение Солнца, каким оно было тысячелетия тому назад.
На основании положения Солнца, зафиксированного в исторических источниках, астрономы могут реконструировать процесс торможения родной планеты: правильно задокументированное солнечное затмение позволяет определить соответствующую позицию Земли на пути ее движения вокруг Солнца. Поскольку траектория движения Земли вокруг Солнца никак не связана с ее вращением вокруг собственной оси, отсюда выводится независимая мера времени – так называемое террестрическое время.
Замедление вращения Земли проявляется при сравнении террестрического времени с универсальным. Универсальное время – это общепринятое время, которое зависит от вращения Земли и определяется на основе положения Солнца относительно Гринвича (город в Великобритании). Его постоянно приходится подводить назад, определенное количество лет между концом одного года и началом следующего добавляется одна секунда.
На основании исторических документов Ричарду Стефенсону удалось определить соотношение двух времен. Террестрическое и универсальное время расходятся тем сильнее, чем более давно происходило то или иное солнечное затмение.
Следовательно, за тысячелетие сутки становятся длиннее почти на две тысячных секунды. Измерения, произведенные спутниками за последние десятилетия, подтверждают соответствующую скорость замедления. Получается, что во времена расцвета Вавилона сутки были короче сегодняшних на четыре сотых секунды. Тем не менее, Стефенсон смог зафиксировать это минимальное отклонение благодаря накоплению ошибки в универсальном времени. С 700 г. до н.э. прошло примерно миллион суток, которые были чуть короче, чем сегодня – сегодня обычные часы пришлось бы переставить примерно на 7 часов.
Ускорение вращения Земли, начавшееся в 1973 г., закончится, вероятно, в 2005–2010 г. Поэтому можно ожидать, что в ближайшие годы наступит период замедления вращения Земли и начнется новая климатическая эпоха. Это означает, что в одних районах земного шара станет теплее и суше, а в других – прохладнее и влажнее.
Частично материал взят из http://elkin52.narod.ru/astro/sem/sem.htm
