5985-1 (707064), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Момент импульса - это 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, то есть усиливаются западные ветры или ослабевают восточные ветры, момент импульса Земли уменьшается, то есть замедляется ее вращение. Когда же момент импульса атмосферы уменьшается (ослабевают западные или усиливаются восточные ветры), вращение Земли ускоряется. Степень согласия изменений момента импульса атмосферы и момента импульса Земли в 1958-2001 гг. показан на рисунке 6. Величины отклонений момента импульса Земли взяты с обратным знаком. Видно, что ход обеих кривых совпадает в пределах ошибок наблюдений. Так что суммарный момент импульса планеты и атмосферы остается неизменным.
Рис. 6. Ход относительного момента импульса атмосферы (7) и вычисленных с обратным знаком приращений момента импульса Земли (2) в 1026 кг/м2 с-1
Факт, что момент импульса ветров всегда положителен, говорит о том, что атмосфера вращается вокруг оси быстрее Земли. Уподобляя движение атмосферы в целом вращению твердого тела, можно сказать, что период ее обращения вокруг оси составляет в апреле и ноябре 23 ч 36 мин, а в августе - 23445 мин. В среднем за год сутки для атмосферы длятся 23438 мин, а не 23 ч 56 мин, как для Земли.
Существует мнение, что раз атмосфера обгоняет Землю в суточном вращении, то она должна ускорять вращение планеты. Однако на неравномерность вращения Земли влияют лишь изменения момента импульса ветров. Постоянная же величина момента импульса ветров была заимствована атмосферой у Земли в момент формирования атмосферной циркуляции. Тогда скорость вращения Земли немного замедлилась (длительность суток возросла на 0.0024 с) и остается таковой в настоящее время. Если источник, поддерживающий ветры в атмосфере, иссякнет, то атмосферная циркуляция прекратится и длительность суток вернется к первоначальному значению.
Атмосферу, неравномерно разогретую по горизонтали солнечными лучами, можно рассматривать как тепловую машину. Она превращает тепловую энергию Солнца в кинетическую энергию ветров. Наиболее теплые части атмосферы в этом случае выполняют функции нагревателя, а холодные - холодильника. Рабочим телом служит сам воздух. В современной физике атмосферы известны несколько тепловых машин. Важнейшими из них являются тепловые машины, порождаемые контрастом температур между экватором и полюсами. Одна из них работает в Северном полушарии, а другая - в Южном. Благодаря этим машинам поддерживаются наблюдаемые восточные ветры в низких широтах и западные - в умеренных и высоких. Чем больше контраст температур экватор-полюс, тем интенсивнее атмосферная циркуляция в данном полушарии и тем больше величина момента импульса ветров.
Контраст температур в каждом полушарии бывает наибольшим зимой, а наименьшим - летом. Поэтому момент импульса ветров Северного полушария совершает гармонические колебания с периодом в год от максимального значения в январе до минимального в июле. В Южном полушарии годовое колебание имеет противоположную фазу: момент импульса максимален в июле, а минимален - в январе. Поэтому годовые колебания ветров Северного и Южного полушарий компенсируют друг друга, и момент импульса ветров атмосферы должен оставаться почти постоянным. Итак, тепловые машины первого рода обусловливают появление в атмосфере положительной величины момента импульса ветров, но почти не влияют на его сезонные колебания.
Долгое время оставалось неясным, почему момент импульса ветров атмосферы испытывает сезонные колебания. В 1975 г. было обнаружено, что в верхних слоях атмосферы самой теплой областью является не экватор и не параллель, на которой Солнце в полдень бывает в зените, а полярная "шапка" летнего полушария (в июле - северная, а в январе - южная). Оказалось, что средняя температура воздуха убывает от полюса летнего полушария до полюса зимнего (в июле - от Северного полюса до Южного, а в январе - от Южного полюса до Северного). Стало ясно, что в атмосфере имеется межполушарная тепловая машина, нагревателем которой является атмосфера летнего полушария, а холодильником - атмосфера зимнего полушария. Межполушарная тепловая машина уменьшает величину момента импульса ветров. Чем больше контраст температур между полушариями, тем значительнее этот эффект. В январе и июле момент импульса ветров уменьшается до минимальных значений, и скорость вращения Земли достигает максимальных величин. В апреле и ноябре температурные различия между атмосферой Северного и Южного полушарий выравнивается; межполушарная тепловая машина прекращает свою работу, поэтому в атмосфере удерживается предельно большая величина момента импульса ветров и скорость вращения Земли становится минимальной.
Различие величин июльского и январского максимумов скорости вращения Земли связано с тем, что атмосфера Северного полушария в среднем за год теплее атмосферы Южного полушария. Поэтому контраст температур между полюсами в июле значительно больше, чем в январе. Если бы подстилающие поверхности в Северном и Южном полушариях были одинаковы, то величины январского и июльского максимумов скорости вращения Земли не различались бы.
Природа десятилетних изменений скорости вращения Земли. Эти изменения слишком велики, чтобы их можно было объяснить так же, как и сезонные колебания, перераспределением момента импульса между атмосферой и Землей. Так, замедление скорости вращения с 1870 по 1903 г. было таким, что момент импульса Земли уменьшился на 48х1025 кг/м2 с-1 Если бы это замедление произошло из-за перераспределения момента импульса между Землей и атмосферой, то момент импульса ветров в 1870 г. был бы на 48х1025 кг/м2 с-1 больше, чем в 1903 г. Другими словами, скорость ветров в атмосфере должна была бы увеличиться более чем в три раза (за 33 года скорости западных ветров должны были постепенно усилиться, а восточных ослабеть всюду примерно на 20 м/с). Однако столь больших долгопериодических колебаний атмосферной циркуляции нет. Считается, что долгопериодическая неравномерность вращения Земли не может вызываться геофизическими процессами, протекающими на земной поверхности. Ее обычно связывают с такими внутриземными процессами, как взаимодействие ядра и мантии планеты. В пользу этой гипотезы свидетельствует тесная корреляция между изменениями скорости вращения Земли и флуктуациями скорости дрейфа ее эксцентричного магнитного диполя с характерным временем порядка 60 лет.
В последние годы получен ряд эмпирических фактов, которые заставляют по-новому взглянуть на эту проблему. Влияние атмосферы на вращение Земли можно оценить не только в результате подсчета изменения момента инерции и момента импульса атмосферы, но и путем вычисления моментов сил, действующих на Землю со стороны атмосферы. К ним относятся моменты сил трения ветра о подстилающую поверхность и моменты сил давления на горные хребты, стоящие на пути ветров. Для того чтобы определить эти моменты сил, требуются данные о полях ветра или атмосферного давления в приземном слое над всей планетой. Зная суммарный момент сил, легко вычислить ускорение и неравномерность вращения Земли.
Расчеты показали, что, возможно, не только сезонная, но и долгопериодическая неравномерность вращения Земли вызывалась в 1956-1977 гг. механическим воздействием атмосферы на Землю. Этот результат указывает на существование переноса "порцией" иногда положительного, а иногда отрицательного момента импульса через приземный слой атмосферы, что приводит к многолетней неравномерности вращения Земли. Соответствующие же изменения момента импульса ветров, необходимые для выполнения баланса, не наблюдаются. Поэтому должен быть какой-то источник момента импульса в атмосферу. Естественно было бы предположить, что атмосфера получает момент импульса либо из околоземного космического пространства, либо от Земли - в процессе многолетнего перераспределения воды между океаном и сушей. Оценки показали, что поток момента импульса из космоса за счет солнечного ветра и воздействия межпланетного магнитного поля очень мал, и дальнейшие усилия были направлены на исследования роли перераспределения воды.
Как известно, около 2% всей воды на Земле находится в замерзшем состоянии. Общая масса льда в современную эпоху приблизительно равна 28.4х1018 кг; из этого числа 90% приходится на ледниковый щит Антарктиды, 9% - на ледник Гренландии и менее 1% - на остальные горные ледники. Площади ледниковых щитов составляют: в Антарктиде 13.9 х1012м2, в Гренландии 1.8х1012 м2 а горных ледников 0.5х1012 м2.
Масса ледников меняется во времени. Например, 12 тыс. лет назад растаял громадный ледниковый щит, покрывавший 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 воды между Мировым океаном и ледниковыми щитами сопровождалось изменением момента инерции Земли и должно было приводить к неравномерности ее вращения и движению полюсов.
Исходя из этого можно составить систему алгебраических уравнений, связывающих величину скорости вращения Земли и координаты полюса с массами льда в Антарктиде, Гренландии и воды в Мировом океане. Эти уравнения позволяют вычислять характеристики вращения Земли - координаты полюса и скорость вращения Земли. Если же массы льда 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. К сожалению, мы не смогли сопоставить ряды вычисленных масс льда в Гренландии и воды в Мировом океане с данными наблюдений из-за отсутствия последних. Лишь для Антарктиды удалось сопоставить вычисленную кривую изменений массы льда с наблюденной (рис. 7). Качественное согласие кривых оказалось таким, что связь многолетней неравномерности вращения Земли с флуктуациями глобального во-дообмена кажется возможной. Однако вычисленные колебания глобального водообмена почти в 29 раз больше наблюдаемых.
Этот противоречивый результаты свидетельствует о том, что наблюдаемые десятилетние особенности вращения есть не неравномерность вращения и движение полюсов всей Земли, а лишь изменения скорости дрейфа литосферы по астеносфере. В самом деле, моменты сил одного знака, возникающие в процессе флуктуаций глобального водообмена, действуют в течение десятилетий. Возможно, что лежащее под литосферой вещество астеносферы при столь длительных воздействиях ведет себя не как твердое тело, а течет подобно вязкой жидкости. Тогда десятилетний глобальный водообмен может вызвать скольжение литосферы по астеносфере, не оказывая заметного влияния на более глубокие слои Земли. При проведении астрономических наблюдений изменения скорости дрейфа литосферы регистрируются как "неравномерность вращения Земли" и "движение полюсов". Но на создание таких кажущихся "неравномерностей" и "движений" требуются перераспределения масс воды, в 29 раз меньшие. В пользу этой гипотезы свидетельствует неоднократно отмечаемая корреляция сейсмической активности с неравномерностью вращения Земли.
Состояние ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии зависит от изменений климата. Поэтому флуктуации вращения Земли могут коррелировать с изменениями климатических характеристик и индексов. Установлена тесная связь десятилетних флуктуаций вращения Земли с изменениями эпох атмосферной циркуляции, колебаниями глобальной температуры воздуха, региональных осадков и облачности и даже с изменениями уловов промысловых рыб в Тихом океане. Замечено, что каждому режиму вращения Земли соответствует своя форма атмосферной циркуляции и, следовательно, свой режим погоды в различных районах земного шара. На рисунке 8 приведен ход изменений скорости вращения Земли, температуры воздуха в Северном полушарии и накопленной суммы аномалий повторяемости типа С атмосферной циркуляции за 1891-1998 гг. Сопоставление кривых показывает их тесную корреляцию.
Итак, десятилетние флуктуации скорости вращения Земли могут возникать из-за обмена моментом импульса между мантией и жидким ядром планеты. Изменения скорости вращения жидкого ядра обусловливают колебания скорости вращения мантии. При этом суммарный момент импульса Земли остается постоянным. С другой стороны, существует тесная связь между десятилетними флуктуациями вращения Земли и изменениями климатических и гляциологических характеристик. Но процессы в ядре Земли не могут влиять на смену эпох атмосферной циркуляции, флуктуации температуры воздуха, атмосферные осадки, состояние ледников и другие климатические процессы и характеристики.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
