Размещено на http://www.allbest.ru/



Аннотация

Объектом исследования являются 6-, 20- и 60-летние колебания длительности суток LOD. Проведен спектральный и вейвлет-анализ длительности суток, подобраны декадные гармоники и сделан элементарный прогноз. Исследованы колебания воздействия углового момента океана и атмосферы на LOD с периодами 6, 20 и 60 лет. Было выяснено, что воздействие океана и атмосферы на колебания длительности суток LOD с периодами 20 и 60 лет не превышают 0.25 миллисекунд, а 6-летнее колебание LOD, после учета вклада атмосферы, оказывается достаточно стабильным с амплитудой около 0.2 мс. Фильтрация в работе проводилась с помощью полосового фильтра Пантелеева в MATLAB. Поскольку значительные по величине (до 6 миллисекунд) мультидекадные колебания LOD остаются не объясненными, было выполнено их сравнение с аномалиями температуры и уровня моря, огибающей Чандлеровского движения полюса и его возбуждения, с рядом аномалий напряженности магнитного поля Земли. Перечисленный ряд процессов также содержит многолетние вариации, в чем-то сходные с вариациями LOD.

Объем работы составляет 35 страницы. Работа включает в себя 26 рисунков. При написании работы было использовано 11 источников.



Abstract

Analysis of variability of the LOD from 6-year to 10s-year oscillations

The subject of this study is the 6-, 20- and 60-year fluctuations in the length of the day LOD. A spectral and wavelet analysis of the length of the day was carried out, decadal harmonics were adjusted, and an elementary forecast was made. The influence of variations of the oceanic and atmospheric angular momentum on LODs with periods 6, 20, and 60 years were studied. It was found that the effect of the ocean and the atmosphere on the fluctuations of the LOD at periods of 20 and 60 years does not exceed 0.25 milliseconds. 6-year change of LOD, after the subtraction of the atmospheric influence, is quite stable with an amplitude of about 0.2 ms. Filtering this work was carried out using Panteleev's bandpass filter in MATLAB. While the significant (up to 6 milliseconds) multi-decadal oscillations of the LOD remain unexplained, they were compared with anomalies of temperature and sea level, the envelope of the Chandler polar motion and its excitation, with the anomalies of the Earth's magnetic field. The listed processes also contains long-term variations, somewhat similar to LOD variations.

The work contains 35 pages, includes 26 figures. In the list of references 11 sources were used.



Оглавление

колебание прогнозирование длительность сутка

Введение

1. О предмете исследования

2. Спектральный анализ LOD

3. Методика фильтрации

4. Подбор декадных гармоник и прогноз долговременного поведения LOD

4.1 Нелинейный метод наименьших квадратов

4.2 Прогнозирование LOD

5. Исследования колебаний длительности суток LOD

5.1 6-летнее колебание длительности суток LOD

5.2 20-летнее колебание длительности суток LOD

5.3 60-летнее колебание длительности суток LOD

6. Анализ вклада ОАМ и ААМ

6.1 ОАМ

6.2 ААМ

7. Учет влияния океана и атмосферы на длительность суток LOD

8. Сравнение многолетних колебаний LOD с аномалиями температуры, уровня моря, магнитным полем и Чандлеровским колебанием

Заключение

Список литературы



Введение

Вращение Земли неравномерно. Ещё в XVIII веке Иммануил Кант считал, что замедление вращения Земли может быть вызвано приливным трением, вследствие чего должна увеличиваться длительность суток. Позже Пьер-Симон Лаплас также высказал мысль о том, что ветра, приливы, землетрясения, вулканические извержения, течения в океане и другие перемещения масс по планете служат причиной (по законам механики) того, что Земля вращается неравномерно. Тогда такие отклонения во вращении замерить было невозможно из-за отсутствия столь точных приборов.

Ещё в XIX веке после появления высококачественных и точных астрономических телескопов в обсерваториях в различных городах по всему миру, например, Париже, Лондоне, Пулкове, Вашингтоне, появилась возможность наблюдать прохождение звезд через меридиан, определяя их координаты и точные моменты времени. Разрешение таких телескопов порой доходило до десятых долей угловой секунды. А наблюдения неравномерности вращения Земли с течением времени становились точнее и точнее, достигнув сотен микросекунд на сегодня. Самые древние сведения о скорости вращения Земли ученые извлекли из слоев кораллов, возрастом в сотни миллионов лет, в XIX веке для наблюдений использовали астрометрию, а после появления атомных часов, аномалии длительности суток LOD стали измеряться сравнением наблюдений за вращением Земли с атомной шкалой времени.

C самого начала у астрономов и геофизиков появился интерес к анализу данных о вращении Земли. Влияние сезонных перераспределений масс на длительность суток заметил еще Н. М. Стойко. Со временем было выявлено влияние океана и атмосферы, построена приливная модель изменений скорости вращения Земли (рис. 1).



Рисунок 1 Приливные колебания скорости вращения Земли в 2020 году. По вертикали отклонение скорости, по горизонтали дата

В последнее десятилетие возрос интерес к слабому 6-летнему колебанию длительности суток LOD. В работах [1, 10] теоретически исследуется его связь с собственными колебаниями внутреннего ядра Земли. Вопрос об изменчивости его фазы и периода 6-летнего колебания весьма интересен. В работе [1] взято в расчет непрерывное уменьшение амплитуды 6-летнего колебания LOD, откуда сделан вывод о том, что данное колебание свободно затухает, там же выполнена оценка характеристик вязких и магнитных свойств границы ядро-мантия. Данное колебание частично исследовалось автором данной работы в курсовой работе [2] и в статье [3]. В данной работе мы проанализируем наблюдательные данные, и, в добавок к 6-летнему, изучим колебания LOD в 20-летнем и 60-летнем диапазонах периодов.



1. О предмете исследования

Всем хорошо известно, что Земля - это волчок, с осью вращения, наклоненной к эклиптике под углом 23.5^о. Период вращения вокруг оси служит мерой длительности суток Length of day, LOD. Астрономам известно, что под воздействием Луны, Солнца, планет Солнечной системы, ось Земли прецессирует с периодом около 26000 лет и испытывает менее длительные нутации. Среди прочего это сказывается на инсоляции Земли и климате (слово климат по-гречески - наклон). Как известно, Земля - не идеальное твердое тело, и скорость вращения Земли изменяется под действием приливов, перераспределения масс в оболочках, что приводит к вариациям LOD, доходящим до нескольких миллисекунд. Так, при ускорении вращения Земли в сутках будет чуть меньше 86400 секунд, а при замедлении, - наоборот, LOD увеличится.

В наших исследованиях мы используем данные из бюллетеня EOP C04 Международной службы вращения Земли со значениями параметров вращения Земли, в том числе LOD, на каждый день, начиная с 1962 года, а также данные бюллетеня C02 с данными с 1830 года и шагом в 100 дней. Эти данные находятся в открытом доступе на сайте центра параметров вращения Земли EOP PC [4]. Служба собирает данные о параметрах вращения Земли, которые предоставляются крупными мировыми обсерваториями, расположенными в США, Великобритании, Германии и других странах, сам центр параметров вращения Земли находится в Парижской обсерватории. Сайт написан на PHP и позволяет извлечь данные о параметрах вращения земли за разные временные промежутки, построить графики, сопоставить геофизические и геодезические возбуждения, сравнить показания разных центров и провести анализ данных

Построим график колебания длительности суток LOD с использованием данных бюллетеня С04 (рис. 1).



Рисунок 2 Колебания длительности суток LOD (синим). По вертикали амплитуда колебания в миллисекундах, по горизонтали года. Модель зональных приливов (оранжевым), и длительности суток LOD после вычитания зональных приливов (жёлто-оранжевым)

Из рисунка 2 видно, что колебания длительности суток LOD (синим) происходят с периодами от суток до десятилетий. Влияние зональных приливов (оранжевым), вызывающих деформацию фигуры, Земли хорошо известно. В частности, когда Луна пересекает экватор, скорость вращения Земли замедляется, а когда уходит на максимальное склонение к северу или югу - наоборот, возникает максимум LOD (см. рис. 1). В графике, показанном на рисунке оранжевым цветом хорошо заметны 18-летние циклы приливов, связанные с прецессией орбиты Луны. Например, в 1997 и 2015 годах орбита Луны оказывалась как раз между экватором и эклиптикой, отчего Луна могла доходить по склонению лишь до , а в 1988 и 2007 - над эклиптикой, доходя по склонению до . В данной работе анализируются колебания LOD за вычетом зональных приливов (жёлто-оранжевым). Можно заметить, что даже после их вычитания в колебании длительности суток LOD остаются долгопериодические многолетние колебания. Три максимума в ~1972, 1994 и 2016 гг. почти совпадают с минимумами в оранжевой кривой прилива, но его моделью не объясняются. Как будет показано далее, их также не удается объяснить влиянием океана и атмосферы, поэтому традиционно их списывают на обмен угловым моментам в недрах Земли.



2. Спектральный анализ LOD

Выполним вейвлет-анализ и спектральный анализ сигнала LOD. Вейвлет-скаллограмма ряда С02 показана на рисунке 3, ряда С04 на рисунке 4, а периодограмма ряда С02 - на рисунке 5.

Рисунок 3 Вейвлет-скалограмма С02. По вертикали период в годах, по горизонтали года с 1830 года, магнитуда колебания цветом

Рисунок 4 Вейвлет-скалограмма С04. По вертикали период в годах, по горизонтали года с 1962 года, магнитуда колебания цветом

Рисунок 5 Спектральный анализ. По горизонтали период в года

На скаллограмме ряда С02 (рис. 3) заметны яркие полосы в области 20-летнего (зеленоватые) колебания и 60-летнего (жёлто-оранжевые) колебания. Последнее частично закрывается маской, под которой могут быть велики краевые эффекты. Ряд С04 (рис. 4) явно демонстрирует годовое и полугодовое колебание LOD, в основном обусловленное атмосферой. Видно, как с появлением в 1980-х годах средств космической геодезии, стало возможно наблюдать высокочастотные колебания LOD. На спектрограмме (рис. 5) видны пики 20-летнего и 60-летнего колебаний LOD. 6-летнее колебание почти не заметно, но оно присутствует.

Нашей дальнейшей задачей будет выделение 6-летнего, 20-летнего и 60-летнего колебаний, с целью их изучения и прогнозирования, вычитание из изучаемых колебаний воздействий океана и атмосферы, а также сравнения с колебаниями магнитного поля, температуры на Земле и др.



3. Методика фильтрации

Выделение интересующих нас колебаний в диапазоне 6, 20, 66 лет в работе сделано с помощь фильтра, названного в честь русского астронома В. Л. Пантелеева. Импульсная характеристика полосового фильтра Пантелеева задается формулой:

,

с параметрами щ₀=2рf₀, определяющим его ширину и f_c, определяющим центральную частоту. Передаточная функция фильтра задается выражением:

.

Но прежде, чем осуществить фильтрацию, следует присмотреться к частотному составу сигнала - его спектру и выделить квазипериодичности.



4. Подбор декадных гармоник и прогноз долговременного поведения LOD

Предпримем попытку более точно подобрать периоды 20 и 60-летних гармоник и тренда, чтобы смоделировать сигнал LOD и сделать его прогноз.

4.1 Нелинейный метод наименьших квадратов

Метод наименьших квадратов (МНК) - это математический метод, позволяющий с помощью минимизации суммы квадратов отклонений некоторой функции от исходных данных, построить модель, которая будет приближать наблюдения. Нелинейный МНК с помощью последовательности итераций может подбирать параметры, входящие в модельную функцию нелинейно. С помощью этого метода были более точно определены периоды 20-летнего и 60-летнего квазиколебаний и сделан прогноз (рис. 6 и 7).



Рисунок 6 Длительность суток и гармоники. По вертикали амплитуда колебания в миллисекундах, по горизонтали года. Колебание LOD синим, линейный тренд жёлтым, 60-летняя гармоника фиолетовым, 20-летняя гармоника зелёным

По данным бюллетеня С02, то есть с 1830 года, была построена модель гармоники с 60-летним периодом колебания (фиолетовым), по данным бюллетеня С04, то есть с 1962 года, построена модель гармоники с 20-летним периодом (зелёным). Также был подобран линейный тренд увеличения LOD (жёлтым).

Оказалось, что в 20-летнем и 60-летнем диапазонах колебания длительности суток LOD лучше аппроксимируются гармониками с периодами 18.9 и 66 лет соответственно. Далее в работе мы будем называть их 20-летним и 60-летним колебаниями.

Заметим, что на данный момент (2020 год) 60-летняя гармоника растет, линейный тренд тоже растет, а 20-летняя гармоника находится в точке минимума, это позволяет предположить, что в ближайший период времени длительность суток LOD прекратит уменьшаться и начнет возрастать.

4.2 Прогнозирование LOD

После получение моделей в п.4.1 построен прогноз колебаний длительности суток на ближайшие 20 лет (Рис. 7) путем экстраполяции подобранных выше тренда, 20- и 60-летнего колебаний, а также авторегрессионной модели 10-го порядка. При этом для LOD получен резко возрастающий график (красный).

Рисунок 7 Ряд С02 и прогноз LOD. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали годы, прогноз с помощью линейного тренда и гармоник (оранжевым), прогноз с помощью нейронной сети (жёлтым)

Также мы воспользовались простейшей нейронной сетью из 15 нейронов, расположенных в 3 слоя, которая была обучена по 20 предшествующим точкам С02 (2000 суток), и спрогнозировали сигнал LOD точка за точкой в будущее. При использовании такого подхода рост оказался менее резким (желтый). Тем не менее, оба прогноза дают основания предполагать, что скорость вращения Земли в скором времени перестанет увеличиваться и станет уменьшаться, LOD начнет расти.



5. Исследования колебаний длительности суток LOD

Как уже говорилось, выделение колебаний в нашей работе осуществляется с помощью полосового фильтра Пантелеева. Из фильтруемого ряда предварительно вычтены воздействия зональных приливов. Однако следует принять во внимание возможное влияние на сигнал LOD атмосферы и океана. Для учета соответствующих влияний будет необходимо отфильтровать в том же диапазоне ряды угловых моментов атмосферы и океана.

5.1 6-летнее колебание длительности суток LOD

Чрезвычайно интересны 6-летние колебания длительности суток LOD.

Рисунок 8 Выделенное фильтром Пантелеева 6-летнее колебание LOD по данным бюллетеня С02. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали года, 6-летнее колебание LOD (красным), огибающая (синим)



Рисунок 9 Выделенное фильтром Пантелеева 6-летнее колебание LOD по данным бюллетеня С04. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали года, 6-летнее колебание LOD (красным), огибающая (синим)

Амплитуда 6-летнего колебания представлена на рисунках 8 и 9, где красным показан сам сигнал, выделенный прямо на сайте EOP PC, а синим - его огибающая. Графики построены по данным С02 и С04 соответственно. Амплитуда непостоянна и колеблется в пределах до 0.3 миллисекунд.

5.2 20-летнее колебание длительности суток LOD

Рассмотрим 20-летний сигнал LOD. Для расчетов используется период равный 18.9 лет. Соответствующие этому параметры фильтра Пантелеева были взяты равными f₀=0.053, и f_c=0.04. Здесь из-за близости частоты к нулю уже возникает вопрос о просачивании тренда в отфильтрованный сигнал. Вековые сигналы тоже могут присутствовать в результате такой фильтрации. Поэтому на графике ниже заметны и более низкочастотные составляющие, что не будет мешать нам называть результат такой фильтрации 20-летним сигналом.



Рисунок 10 Отфильтрованное фильтром Пантелеева 20-летнее колебание LOD. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали года. Построено по данным бюллетеня С02 (синим) и С04 (красным)

На рисунке 10 представлен график 20-летнего колебания длительности суток LOD по данным С02 с 1830 года (синим) и по данным C04 (красным). Согласие между ними неплохое, но несколько ухудшается на правой границе, видимо, из-за краевых эффектов, которые могут исказить сигнал в пределах двадцати лет от края. Отчетливо видно, что амплитуда колебания непостоянна, его размах доходит до 3 миллисекунд.

5.3 60-летнее колебание длительности суток LOD

Рассмотрим 60-летний сигнал LOD. Здесь мы выбрали центральной частотой f_с=0.015, что соответствует периоду в 66 лет. Отметим, что центральная частота нашего фильтра Пантелеева уже меньше параметра его ширины 0.04, поэтому фильтр не может совсем не пропускать более низкочастотные составляющие и тренд с нулевой частотой.

Рисунок 11 Отфильтрованное фильтром Пантелеева 60-летнее колебание LOD. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали года. Построено по данным бюллетеня С02 (синим) и С04 (красным)

На рисунке 11 синим представлен график 60-летнего колебания длительности LOD по данным С02 с 1830 года, красным - по данным С04 с 1962 г. Согласие между ними, с оглядкой на краевые эффекты, вполне приемлемое. Амплитуда сигнала колеблется в пределах 6 миллисекунд.



6. Анализ вклада ОАМ и ААМ

Проанализируем влияние океана и атмосферы на вращение Земли в выбранных диапазонах. Это необходимо, поскольку в последние 50 лет было установлено, что обмен моментом импульса между атмосферой, океаном и твердой Землей является одной из основных причин колебаний скорости вращения Земли. Проанализируем вклад осевых составляющих вариаций ААМ и ОАМ в изменения длительности суток LOD.

6.1 ОАМ

Выполним анализ углового момента океана ОАМ (Ocean Angular Momentum). В работе анализируются данные двух центров GFZ [5] (Helmholtz Potsdam Center for Earth Sciences) и ECCO [6] (“Estimating the Circulation and Climate of the Ocean” consortium). Вектор углового момента океана задается тремя компонентами: осевой составляющей вдоль оси вращения Земли z, изменения которой влияют на скорость вращения Земли, и двумя экваториальными компонентами x и y, которые влияют на движение полюса Земли.

GFZ (GeoForschungsZentrum, нем.) - немецкий исследовательский центр геонаук, расположенный в Потсдаме, является национальным центром исследований твёрдого тела. GFZ занимается исследованиями геосферы в сложной системе Земли с другими подсистемами, делают это в междисциплинарном сотрудничестве с естественными науками, такие как физика, химия, биология, а так же инженерными дисциплинами механики горных пород, инженерной гидрологии и сейсмологии.

ECCO (“Estimating the Circulation and Climate of the Ocean” consortium, англ.) - консорциум «Оценка циркуляции и климата океана» дает возможные оценки циркуляции океана и его роли в климате, их решения сочетают в себе современные модели циркуляции океана с глобальными наборами данных об океане. Оценки состояния достоверно воспроизводят большое количество наблюдений за океаном и морским льдом с помощью спутниковых приборов.

Вышеназванные центры рассчитывают параметры океана и позволяют вычислить интегральный угловой момент OAM. Данные предоставляются Центром геофизических флюидов Службы вращения Земли.

С помощью фильтра Пантелеева отфильтруем соответствующие ряды данных с периодом 6, 20 и 60 лет.

Рисунок 12 Выделенные фильтром Пантелеева 6-летняя составляющая ОАМ. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали года. Выделены из данных GFZ (зеленым) и ЕССО (синим)

На рисунке 12 изображена выделенная фильтром Пантелеева 6-летняя составляющая углового момента океана (ОАМ) по данным ECCO и GFZ. Амплитуда влияний океана в 6-летнем диапазоне пренебрежимо мала, по сравнению с самим выделенным 6-летним сигналом LOD.



Рисунок 13 Выделенные фильтром Пантелеева 20-летняя составляющая ОАМ. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали года. Выделены из данных GFZ (зеленым) и ЕССО (синим)

На рисунке 13 показан отфильтрованный тем же способом в 20-летнем диапазоне сигнал океана OAM по данным GFZ и ECCO. Данные по OAM весьма непродолжительны, поэтому подвержены искажениям краевыми эффектами. Амплитуда сигнала крайне мала.



Рисунок 14 Выделенные фильтром Пантелеева 60-летняя составляющая ОАМ. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали года. Выделены из данных GFZ (зеленым) и ЕССО (синим).

На рисунке 14 изображена выделенная фильтром Пантелеева 60-летняя составляющая углового момента океана (ОАМ) по данным ECCO и GFZ. Амплитуда колебания лежит в пределах 0,025 миллисекунд. Несмотря на то, что с ростом периода, от 6 к 20 и к 60-летнему, амплитуда сигнала OAM растет, мы считаем возможным обойтись без учета OAM при изучении всех рассматриваемых колебаний LOD из-за крайней малости амплитуд выделенных вкладов океана.



6.2 ААМ

Перейдём к анализу углового момента атмосферы ААМ (Atmospheric Angular Momentum). В работе анализируются данные трёх центров NCEP [7] (National Centers for Environmental Prediction of the USA), ECMWF [8] (European Center for Medium-Range Weather Forecasts) и GFZ. Вектор углового момента атмосферы так же, как и океана, задается тремя компонентами: осевой составляющей вдоль оси вращения Земли z, изменения которой влияют на скорость вращения Земли и продолжительность суток (LOD), и двумя экваториальными компонентами x и y, которые влияют на движение полюса Земли, их мы не рассматриваем.

NCEP (National Centers for Environmental Prediction of the USA) - один из крупнейших центров, предоставляющих глобальную информацию о погоде, воде, климате и космической погоде, прогнозы, предупреждения и анализы. Как сообщается на портале центра, эти продукты основаны на научно-техническом наследии и отвечают потребностям пользователей по защите жизни и имущества, укреплению экономики мира и поддержке растущей потребности в экологической информации.

ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts) - Европейский центр, предоставляющий глобальные прогнозы, реанализ климата и конкретные наборы данных, предназначенные для удовлетворения различных потребностей пользователей. Данные находятся в открытом доступе в интернете. Оперативные прогнозы направлены на то, чтобы показать, какая погода будет наиболее вероятной. Для этого Центр производит множество прогнозов, каждый из которых включает полное описания эволюции погоды. В совокупности указывается вероятность будущих погодных сценариев.

Реанализ данных по атмосфере, выполняемый этими центрами, позволяет получить данные по глобальному угловому моменту AAM на следующих интервалах времени: c 1900 г. - ECMWF, с 1949 г. - NCEP и с 1977 г. - GFZ.

С помощью фильтра Пантелеева отфильтруем данные AAM в диапазонах 6, 20 и 60 лет.

Рисунок 15 Выделенные фильтром Пантелеева 6-летние составляющие ААМ. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали года. Выделены из данных GFZ (красным), NCEP (зеленым) и ECMWF (синим)

На рисунке 15 представлены отфильтрованные фильтром Пантелеева 6-летние составляющие рядов углового момента атмосферы (ААМ) по данным NCEP, ECMWF и GFZ.



Рисунок 16 Выделенные фильтром Пантелеева 20-летние составляющие ААМ. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали года. Выделены из данных GFZ (красным), NCEP (зеленым) и ECMWF (синим)

На рисунке 16 представлены графики 20-летних колебаний осевой компоненты углового момента атмосферы, отфильтрованного фильтром Пантелеева по данным GFZ, NCEP и ECMWF. Отчетливо видно, что амплитуда непостоянна, она колеблется в пределах 0.1 миллисекунды. Если колебания в данных AAM ECMWF и NCEP более-менее схожи, то в данные GFZ с 1977 года оказываются слишком непродолжительными и, по всей видимости, искажены краевым эффектом. Вопрос о минимизации влияния краевого эффекта поднимался в докладе [9], но выходит за рамки данной работы.



Рисунок 17 Выделенные фильтром Пантелеева 60-летние составляющие ААМ. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали года. Выделены из данных GFZ (красным), NCEP (зеленым) и ECMWF (синим)

На рисунке 17 представлен график отфильтрованных в 60-летнем диапазоне данных AAM NCEP, ECMWF и GFZ. Амплитуда доходит до 0.15 мс, однако это в десятки раз меньше сигнала LOD в этом диапазоне.



7. Учет влияния океана и атмосферы на длительность суток LOD

Влияние океана на скорость вращения Земли (и длительность суток, LOD) не столь велико, как влияние атмосферы. Связано это с тем, что атмосфера более подвижна, чем океан, и ее зональный поток не ограничен континентами, в отличие от течений в океане. Это подтверждают графики, рассмотренные в п.6.

Рисунок 18 Выделенные фильтром Пантелеева 6-летняя составляющая LOD после вычета ААМ. По вертикали амплитуда в миллисекундах, по горизонтали года. Данные бюллетеня С02 (черным), данные бюллетеня С04 (красным)

На рисунке 18 представлен отфильтрованный 6-летний сигнал после вычитания из него ААМ. Мы решили не вычитать 6-летний вклад ОАМ, так как он весьма незначителен по амплитуде. Заметим, что освобожденное от атмосферного воздействия 6-летнее колебание стало стабильнее, что подтверждает результаты, полученные китайским ученым Хао Дингом [10], и опровергает предположение работы [1] о непрерывном затухании 6-летнего колебания на интервале с 1962 года.

Подробнее о 6-летних колебаниях длительности суток можно прочитать в курсовой [2] и научной [3] работах автора.

Если говорить о вкладе океана и атмосферы в мультидекадные (с периодами в несколько десятилетий) вариации LOD, то из сопоставления 60- и 20-летних колебаний AAM и OAM c амплитудой соответствующих вариаций LOD мы сделали вывод, что они существенно не сказываются, и не проводили вычитания AAM и OAM из колебаний LOD в этих диапазонах. Однако это не умаляет важности изучения многолетних компонент в рядах соответствующих угловых моментов.

Таким образом, на лицо тот факт, что обмен угловым моментом между атмосферой, океаном и твердой землей, великолепно объясняющий годовые и внутригодовые неприливные колебания LOD (рис. 19), не в силах объяснить многолетние особенности в скорости вращения Земли. Так, из рисунка 19 видно, что после явления El Nino, замедлившего Землю в 2016 году, скорость вращения планеты начала ускоряться (LOD начала уменьшаться), что не объясняется влиянием океанического и атмосферного угловых моментов. Хорошее согласие нарушается после 2016 года, когда LOD начинает отклоняться вниз.



Рисунок 19 Сравнение колебаний LOD (геодезических, красным) c суммой вкладов океана и атмосферы (OAM+AAM) (синим) на внутригодовых масштабах с сайта EOP PC

Крайне любопытно узнать, что вызывает декадные изменения. Действительно ли это процессы в недрах Земли? Если 6-летние колебания LOD теоретически связывают со свободными колебаниями ядра, то 20 и 60-летние колебания - нет. Следовательно, они вынужденные и вызваны каким-то воздействием. В связи с этим любопытно будет взглянуть на некоторые другие геофизические процессы, которые мы представим в следующем разделе.



8. Сравнение многолетних колебаний LOD с аномалиями температуры, уровня моря, магнитного поля и Чандлеровским колебанием

В последнее время крайне актуальным стал вопрос об изменениях климата. Основными характеристиками являются изменения глобальной температуры и уровня моря, показанные на рисунке 20 за последние полтора века. График слева для температуры по данным центра HadCRUT, уровень моря справа - по реконструкции С. Евреевой, объединенный со спутниковой альтиметрией с 1993 года. Скорость изменения температуры - около 0.7 градусов за столетие, уровня моря - около 3 мм в год.

Рисунок 20 График изменений глобальной температуры на Земле (слева) и уровня моря (справа)

После снятия параболического тренда с температуры и линейного - с данных по уровню моря, были получены ряды аномалий, представленные ниже (рис. 21). Ход обоих графиков имеет ярко выраженную 60-летнюю волну. Чтобы это было виднее, мы сгладили сигнал фильтром Пантелеева с теми же параметрами, что использовались для 20-летней фильтрации LOD ранее.



Рисунок 21 График аномалии глобальной температуры на земле (слева). График аномалии глобального уровня моря (справа)

Еще четче квази-60-летние компоненты в температуре и уровне моря выделяются Многоканальным сингулярным спектральным анализом (МССА) [11]. Выделенные выше сглаженные аномалии температуры и уровня моря сопоставлены с выделенным в разделах 5.2 и 5.3 20 и 60-летними сигналами LOD из бюллетеня EOP C02, которые были предварительно инвертированы, (отражают аномалию скорости вращения Земли) (рис. 22).

Рисунок 22 Сопоставление аномалии температуры и уровня моря с 20-летним сигналом LOD

Рисунок 23 Сопоставление 60-летних компонент аномалии температуры и уровня моря с 60-летним сигналом LOD

На рис. 23 представлены выделенные МССА 60-летние компоненты в тех же рядах температуры и уровня моря, которые сопоставлены с отфильтрованным 60-летним сигналом LOD. Отчетливо видна корреляция скорости вращения Земли (-LOD) аномалией температуры. Аномалия уровня моря запаздывает относительно них.

Далее мы сопоставили 60-летние колебания LOD c огибающей Чандлеровского движения полюса (рис. 24), а 20-летние - с огибающей Чандлеровского возбуждения (рис. 25) соответственно. Если само Чандлеровское колебание демонстрирует квази-60-летние изменения амплитуды, то его возбуждение - квази-20-летние.



Рисунок 24 Сопоставление огибающей Чандлеровского движения полюса и 60-летнего сигнала LOD (C02 и С04)



Рисунок 25 Сопоставление огибающей Чандлеровского возбуждения и 20-летнего сигнала LOD (C02 и С04)

Наконец, на рисунке 26 мы привели графики 60-летних колебаний LOD и аномалии напряженности магнитного поля Земли. Видно неплохое согласие, что делает правдоподобной гипотезу о связи 60-летних изменений скорости вращения Земли с процессами в ее недрах.

Рисунок 26 Сопоставление аномалий напряжённости магнитного поля Земли и 60-летних колебаний LOD

Заключение

В данной работе были изучены 6-, 20- и 60- летние колебания, (последние более точно оценены в 18.9 и 66 лет). Проведен анализ влияния океана и атмосферы на данные колебания. Как оказалось, влияние океана на низкочастотные колебания крайне мало, как и мало влияние атмосферы на 20- и 60-летние колебания. При вычитании из 6-летнего колебания воздействия атмосферы, получено его более стабильное поведение, что подтверждает результаты, полученные китайским ученым Хао Дингом [10], и опровергает предположение работы [1] о непрерывном затухании 6-летнего колебания на интервале с 1962 года.

20- и 60-летние колебания были сопоставлены с аномалиями температуры, уровня моря, магнитного поля и Чандлеровским колебанием. Выяснилось, что 20-летнее колебание в аномалиях температуры и уровня моря нередко повторяет ход скорости вращения Земли, особенно с середины XX века, а 60-летнее колебание температуры также хорошо коррелирует с инвертированным LOD. Сопоставление LOD с аномалией напряженности магнитного поля Земли подтверждает гипотезу о связи 60-летних изменений скорости вращения Земли с процессами в ее недрах. Такого рода корреляции могут помочь в прогнозировании скорости вращения Земли, которая растет с 2016 гожа. Построенный на основе простой модели прогноз на ближайшие 20 лет показал, что в ближайшее время скорость вращения Земли, скорее всего, перестанет расти и начнет уменьшаться, увеличивая тем самым LOD.

Полученные результаты могут быть полезны для дальнейшего изучения природы возникновения 6-, 20- и 60-летнего колебания длительности суток LOD.



Список литературы

1. Pengshuo Duan, Genyou Liu, Xiaogang Hu, Jin Zhao, Chengli Huang, Mechanism of the interannual oscillation in length of day and its constraint on the electromagnetic coupling at the core-mantle boundary, Earth and Planetary Science Letters, Volume 482, 2018, Pages 245-252, ISSN 0012-821X, https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.11.007.

2. Устинов А. А., курсовая работа, Исследование 6-летних колебаний длительности суток LOD, 2019

3. Устинов А. А., Зотов Л. В. научная работа, Исследование 6-летних колебаний длительности суток LOD, 2019

4. Сайт http://hpiers.obspm.fr

5. Сайт https://www.gfz-potsdam.de/startseite/

6. Сайт https://www.ecco-group.org/

7. Сайт https://www.ncep.noaa.gov/

8. Сайт https://www.ecmwf.int/en/forecasts

9. Leonid Zotov, Length of Day Analysis, 6-year Signal and Edge Effects, talk at AOGS-2019 SE10-A013, Singapore, 30/07/2019

10. Hao Ding, Attenuation and excitation of the 6-years oscillations in the length-of-day variation, Earth and Planetary Science Letters 507:131-139, 2018 DOI: 10.1016/j.epsl.2018.12.003

11. Зотов Л.В. Исследование связей между вращением Земли и геофизическими процессами, Докторская диссертация, М. МГУ., 2019 https://istina.msu.ru/dissertations/211744667/

Размещено на Allbest.ru

...