Полярные и неполярные изменения широты

Если какой-нибудь сложный процесс демонстрируется по разным данным двумя кривыми с разными периодами, то, складывая алгебраически одновременные ординаты точек этих кривых, можно получить результирующую кривую. Так, например, получается график уравнения времени от сложения двух кривых: от наклона эклиптики и эксцентриситета орбиты Земли. Точно так же кривая изменения широты, полученная из наблюдений, есть результирующая целого ряда кривых, отражающих влияние отдельных факторов на широту.

Все изменения широты, вызванные смещением оси вращения в теле Земли, а следовательно, и движением полюсов, называются полярными изменениями.

Если бы изменения широт происходили только из-за смещения полюсов, то в любой точке одного и того же меридиана Земли они были бы одинаковыми от северного до южного полюсов. Практика показывает, что этого нет - в двух точках на одном и том же меридиане разность изменений не равна нулю. Значит существуют изменения широты, происходящие не от движения полюсов, а от каких-то других причин. Такие изменения называются неполярными изменениями широты.

Полярные изменения широты влияют в той или иной степени на все точки поверхности земного шара. Неполярные изменения имеют, скорее, местный характер. К полярным относятся изменения широты с 14-месячным периодом (430 суток - чандлеровский период), годовым и полугодовым; к неполярным - изменения широты, вызываемые уклонением отвеса вследствие притяжения Луны и Солнца, обнаруженный в наблюдениях так называемый z-член, изменения широты с суточным периодом (суточный член) и неправильные изменения широты.

Особенно сложны изменения средней широты. Они являются и полярными, и неполярными. В простейшем случае средней широтой называется среднее арифметическое, например из годового цикла наблюдений, относящееся к середине этого года. Более точно средней широтой в данный момент принято называть такую широту, какой она была бы в этот момент, если бы не было ее периодических изменений, т. е. периодов 14-месячного, годового и полугодового.

Если имеется непрерывный шестилетний ряд наблюденных широт, то среднее арифметическое из этого ряда и будет средней широтой, так как в шестилетний ряд пять раз укладывается 14-месячный период, 6 раз - годовой и 12 - полугодовой. Все они в среднем арифметическом будут исключены.

Не всегда можно ждать, когда наберется такой длинный ряд наблюдений. Для получения средней широты из более коротких рядов широтных наблюдений применяется следующая формула:

где φ₀ - широта в начальный момент периода, для которого вычисляется средняя широта; φ₁ - широта через 0,1 года от начального момента; φ₂ - широта через 0,2 года от начального момента и т. д. Вычисленная таким образом широта не содержит в себе изменений с периодами в 14 месяцев, годовым и полугодовым. Иначе говоря, это - такая широта, которая получилась бы, если бы ось вращения Земли не совершала периодического движения.

Чтобы определить среднюю широту по вышеприведенной формуле, поступают так: по полученным из наблюдений широтам строят график, т. е. кривую изменения широты, как это мы делали на рис. 17, и снимают с нее значения широты (с помощью измерителя или миллиметровой бумаги) для каждой десятой доли года. В табл. 1 параллельно со значениями широт, полученными из наблюдений (второй столбец), приведены значения широт, снятые с кривой для каждой десятой доли года (пятый столбец).

Как видно из формулы (11), для получения средней широты нужно иметь 16 отдельных значений широт. Имея, следовательно, ряд наблюденных широт за интервал времени, больший, чем 1,6 года, можно получить ряд средних широт также на каждую десятую долю года последовательным смещением на одну десятую долю года значений широт, снятых с кривой изменения широты. Только число средних широт будет на 15 меньше, чем число широт, снятых с кривой. Итак, первое значение средней широты относится к моменту t + 0,75 года, где t - момент первого значения широты, снятого с кривой. Моменты остальных средних широт последовательно сдвигаются на одну десятую долго года.

Полученная средняя шпрота, как об этом уже было сказано, медленно изменяется; эти изменения частично вызываются движением полюсов (только это уже непериодические изменения), а также другими причинами (неполярные изменения).

Действительно, если две обсерватории расположены на одном меридиане Земли, то периодические изменения, вызванные смещением полюса, должны быть в обеих обсерваториях одинаковыми.

Исследуя наблюдения, полученные в Гринвиче и Карлофорте (т. е. на двух обсерваториях, лежащих почти на одном меридиане Земли), Орлов обнаружил, что средние широты их медленно меняются, но по-разному: например, широта Гринвича с 1924 по 1927 г. увеличивается, в Карло-форте - уменьшается. Такие изменения средней широты происходят как от движения полюса, так и от других причин. Периодические изменения широты, зависящие от движения полюса, в средней широте исключены, непериодические не исключены.

Разложим изменения средней широты на две составляющие. Одна зависит от движения полюса и называется полярной. Она вычисляется по формуле (10), в которой х и у теперь уже составляющие не периодического движения полюса, а, например, векового. Весьма вероятно, что х и у изменяются линейно, тогда полярные изменения широты разных станций также будут линейными, причем в точках, отстоящих на 180° по долготе, они будут иметь противоположные направления. То, что останется после выделения полярных изменений, будет медленным изменением средней широты, которое происходит не от движения полюса, а от каких-то других местных причин, пока неизвестных. Эти изменения, разные для каждого места на Земле, и будут неполярными изменениями.

Вековое изменение средней широты невелико, и за короткий промежуток времени его трудно обнаружить. Некоторые кривые изменения средней широты обнаруживают слабые колебания. Часто такие волнообразные кривые плавно поднимаются или опускаются, и их ход можно разделить на две части: линейный тренд, который можно приписать вековому движению полюса, и оставшиеся колебания средней широты, которые, по-видимому, имеют местный характер. Не случайно, А. Я. Орлов говорил, что чем больше мы будем иметь широтных станций, расположенных по параллелям и меридианам Земли, тем глубже проникнем в природу неполярных изменений широты, имеющих большое значение для теории и практики.

Рис. 23. Вековое движение среднего полюса за последние 75 лет

Вековое движение полюса можно выявить только из длительных рядов наблюдений одних и тех же звездных пар на нескольких широтных станциях, лежащих на одной и той же параллели.

В 1954 г. вышла работа Орлова "О вековом движении полюса", в которой он приводит результаты обработки наблюдений МСШ за 51 год на трех широтных станциях - Мицузава, Карлофорте и Юкайя. В общей сложности здесь было проведено 258 672 наблюдения звездных пар. Из полученного материала следует, что полюс Земли движется вековым движением со скоростью 0",004 в год вдоль меридиана, расположенного на 69° к западу от Гринвича. Шестилетние наблюдения советской СДП за последние годы показали, что движение полюса за 100 лет равно 0",302 и происходит в направлении 72° к западу. Это значение мало отличается от результатов, полученных Орловым.

По результатам международной СДП, средний северный полюс продвинулся за последние 60 лет в направлении меридиана 81° западной долготы со средней скоростью 0",0038 в год. Интересно упомянуть об исследовании академика А. А. Михайлова, проведенном в 1970 г. Допуская, что вековое движение полюса происходит не из-за изменения направления земной оси в пространстве, а вследствие сдвига земной коры по подстилающей ее вязкой массе относительно оси, он приходит к заключению, что полюс движется в направлении 83° западной долготы, что очень хорошо согласуется с приведенными выше данными. Если предположить, что вековое движение среднего полюса строго постоянно как по величине, так и по направлению и имеет значение 0",3 в столетие, что вытекает из целого ряда исследований многих ученых, то северный полюс Земли примерно через 60 млн. лет будет вблизи Вашингтона. Но о равномерности движения среднего полюса на большом интервале сказать ничего нельзя; с уверенностью можно констатировать только то, что за последние 60 лет полюс двигался со скоростью около 0",0035 в год в направлении меридиана 70-75° западной долготы.

На рис. 23 приведена кривая векового движения среднего полюса по данным МСДП за 75 лет. Начало координат отнесено к положению среднего полюса 1908,0; ось х направлена по гринвичскому меридиану, ось у - на запад от него. По меридиану, примерно 75° з. д., средний полюс Земли передвинулся почти на 7,5 м.