URANIA — Postępy Astronomii  on–line
archiwum Uranii Urania - Archiwum on-line
Urania 12/1983
Rocznik 1983:
Linki sponsorowane:
Zawartość witryny:

Ruch obrotowy Ziemi

Barbara Kołaczek — Warszawa

Kompleksowy problem ruchu obrotowego Ziemi obejmuje zagadnienia ruchu osi obrotu Ziemi w przestrzeni i w jej wnętrzu, zjawisko precesji i nutacji oraz problematykę zmian prędkości obrotowej Ziemi, którą charakteryzują zmiany czasu uniwersalnego i długości doby.

Rys. 1 Rys. 1. Schemat zjawiska precesji i nutacji.

Przypomnijmy, że zjawisko precesji jest to ruch osi obrotu Ziemi w przestrzeni po stożku o kącie rozwarcia równym 23,5° wokół osi biegunowej ekliptyki zachodzący w okresie 26 tys. lat. Na ruch precesyjny nakładają się oscylacje nutacyjne, z których największa ma amplitudę około 9'' i okres równy 18,6 roku (rys. 1).

Ruch osi obrotu Ziemi we wnętrzu Ziemi, to jest kołysanie się chwilowej osi obrotu wokół jej średniego położenia, powoduje ruch biegunów po powierzchni Ziemi wzdłuż skomplikowanych krzywych, tzw. polodii, nie dających się opisać precyzyjnie żadną formułą matematyczną. Dwie główne składowe okresowe tego ruchu to nutacja swobodna o okresie (zwanym okresem Chandlera) wynoszącym około 1,2 roku i amplitudzie rzędu 0'',15 oraz nutacja wymuszona o okresie 1 roku i amplitudzie rzędu 0'',1 (0'',1 odpowiada na powierzchni Ziemi około 3 m), które zdudniają się w okresie 6–7 lat (rys. 2).

Rys. 2 Rys. 2. Krzywa ruchu bieguna wyznaczona przez Międzynarodowe Biuro Czasu w Paryżu.

Prędkość ruchu obrotowego Ziemi maleje powodując wydłużanie się doby o około 1 ms na 100 lat. Ponadto zachodzą zmiany okresowe, sezonowe i nieregularne prędkości obrotowej Ziemi. Zmiany czasu uniwersalnego względem jednostajnie upływającego czasu efemerydalnego definiowanego przez ruch orbitalny Ziemi przedstawione są na rys. 3.

Problem ruchu obrotowego Ziemi jest jednym z najstarszych zagadnień naukowych astronomii. Już w II wieku p.n.e. Hipparch odkrył zjawisko precesji. Nie mógł go wówczas właściwie zinterpretować, ale wyznaczona przez niego stała precesji, charakteryzująca prędkość tego ruchu w ciągu roku, różniła się tylko o kilka sekund od wartości tej stałej wyznaczonej współcześnie (50'',29 dla epoki 2000) i przyjętej w fundamentalnym systemie stałych astronomicznych w 1976 roku. W XVII wieku I. Newton opracował teoretycznie podstawy precesji. W następnym stuleciu J. Bradley odkrył obserwacyjnie zjawisko nutacji (główny człon), który teoretycznie uzasadnił J. d'Alembert, a L. Euler teoretycznie przewidział nutację swobodną osi obrotu Ziemi o okresie 305 dni przy założeniu sztywności bryły ziemskiej. Ruch biegunów został obserwacyjnie potwierdzony dopiero w ostatnim dziesięcioleciu ubiegłego wieku przez K. Küstnera. W tym samym czasie S. Chandler wyznaczył z obserwacji okres nutacji swobodnej osi ziemskiej uzyskując wartość około 1,2 roku. S. Newcomb wykazał teoretycznie, że takie wydłużenie znalezionego przez Eulera okresu nutacji swobodnej można wyjaśnić przyjęciem elastyczności bryły ziemskiej.

Rys. 3 Rys. 3. Przebieg różnic czasu efemerydalnego i uniwersalnego.
Rys. 4 Rys. 4. Schemat struktury wewnętrznej Ziemi.

Ziemia ma nieregularną figurę i skomplikowaną budowę wewnętrzną. Figurę Ziemi najdokładniej można aproksymować geometrycznie przez elipsoidę obrotową o spłaszczeniu 1/298. Jej strukturę wewnętrzną przedstawia schematycznie rys. 4. Przemieszczanie mas jak i różne procesy fizyczne zachodzące we wnętrzu Ziemi, na jej powierzchni i w atmosferze perturbują ruch obrotowy Ziemi. Wspomnijmy tu np. o różnych procesach zachodzących w płynnym jądrze i na jego granicy z elastycznym płaszczem i sztywnym jądrem, ruchach skorupy ziemskiej czyli ruchu płyt tektonicznych i ruchach sejsmicznych, czy wreszcie niezmiernie szybkich zmianach zachodzących w atmosferze ziemskiej. Toteż znajomość tych zjawisk ma istotne znaczenie w badaniu ruchu obrotowego i to zarówno w opracowywaniu teorii jak i interpretacji obserwacji.

Masowe i precyzyjne naziemne obserwacje sejsmiczne i pływowe oraz różne obserwacje sztucznych satelitów Ziemi w ostatnich dwóch dziesięcioleciach pozwoliły znacznie lepiej poznać wewnętrzną budowę Ziemi i zmienną strukturę atmosfery. Na tej podstawie J. Wahr opracował nową teorię nutacji uwzględniającą współczesny model globu ziemskiego z elastycznym płaszczem i sztywnym wewnętrznym jądrem. Dokładność tej teorii sięga tysięcznej części sekundy łuku w określeniu kierunku osi ziemskiej w przestrzeni. Teorię tę przyjęła Międzynarodowa Unia Astronomiczna w 1982 roku zastępując nią teorię nutacji Woolarda obowiązującą od 1964 roku. Po raz pierwszy w bieżącym stuleciu dokładność teorii nutacji przewyższyła dokładność wyznaczeń obserwacyjnych.

Ruch biegunów, obrazujący ruch osi obrotu Ziemi w jej bryle, oraz prędkość ruchu obrotowego Ziemi są tak czułe na wszystkie procesy geofizyczne, o których wspominaliśmy, że mimo kilkudziesięciu lat regularnych obserwacji trzeba je na bieżąco wyznaczać obserwacyjnie. Od 1899 roku Międzynarodowa Służba Szerokości prowadzi regularne, stałe wyznaczenia ruchu bieguna w oparciu o astronometryczne obserwacje zmian szerokości geograficznej pięciu stacji usytuowanych na równoleżniku 39°,8: Carloforte (Włochy), Gaithersburg i Ukiah (USA), Mizusawa (Japonia), Kitab (ZSRR). Kilkadziesiąt obserwatoriów astronometrycznych przystąpiło do tych wyznaczeń w połowie obecnego stulecia. Prace tych stacji koordynują dwa centra międzynarodowe: Międzynarodowe Biuro Czasu w Paryżu (Francja) i Międzynarodowe Biuro Ruchu Obrotowego Ziemi w Mizusawie (Japonia), prowadząc w oparciu o uzyskane dane obserwacyjne regularne wyznaczenia pozycji bieguna i czasu uniwersalnego.

W latach siedemdziesiątych nastąpił szybki rozwój nowych technik obserwacyjnych takich, jak dopplerowskie i laserowe obserwacje sztucznych satelitów Ziemi, laserowe obserwacje Księżyca, radiointerferometryczne obserwacje naturalnych radioźródeł. Wzrosła dokładność obserwacji kierunku w przestrzeni i wyznaczania pozycji na powierzchni Ziemi, a w tym i pozycji bieguna o co najmniej rząd wielkości osiągając odpowiednio dokładności rzędu 0'',01 i kilku centymetrów. Są to dokładności wyznaczeń uzyskiwane przez poszczególne techniki, ale nieznane dotychczas dostatecznie błędy systematyczne poszczególnych technik są kilkakrotnie wyższe.

W celu dokładniejszego zbadania ruchu obrotowego Ziemi i poznania błędów systematycznych współczesnych precyzyjnych technik obserwacyjnych stosowanych do wyznaczania parametrów tego ruchu została zorganizowana roczna międzynarodowa kampania obserwacyjna MERIT (ang. Monitoring of Earth Rotation and Intercomparison of Techniques) w okresie od września 1983 do października 1984 roku, w której uczestniczą wszystkie najprecyzyjniejsze instrumenty na całym świecie: około 80 przyrządów astrometrycznych, 50 odbiorników dopplerowskich, 30 dalmierzy laserowych trzeciej generacji, 1–3 instrumenty laserowe do obserwacji Księżyca i 5–7 radioteleskopów wyposażonych w systemy odbiorcze MARK III. Jest to największa kampania obserwacyjna organizowana dla badań ruchu obrotowego Ziemi, a jedna z największych, jeśli nie największa, w dziejach badań geodynamicznych w ogóle. Kilkanaście centrów na świecie będzie opracowywało i analizowało dane obserwacyjne kampanii MERIT. Przyniesie to na pewno wiele nowych informacji o ruchu obrotowym Ziemi, szczególnie w zakresie dotychczas mało znanych oscylacji krótkookresowych (od doby do kilkudziesięciu dni) i pozwoli na udoskonalenie stałej służby wyznaczeń ruchu bieguna i czasu uniwersalnego na poziomie współczesnych dokładności obserwacji i teorii.

(Źródło: „Urania” nr 12/1983)
Urania – Postępy Astronomii   ISSN 1689-6009
Międzynarodowy Rok Astronomii 2009
Powered by FreeFind

Urania-PAwww
Urania - Postępy Astronomii Copyright © „Urania — Postępy Astronomii”
webmaster: Marek Gołębiewski
Validated by HTML Validator (based on Tidy)