Продолжительность дня ( LOD ), увеличивавшаяся на протяжении долгой истории Земли из-за приливных эффектов , также подвержена колебаниям в более коротком масштабе времени. Точные измерения времени с помощью атомных часов и спутниковой лазерной локации показали, что уровень детализации подвержен множеству различных изменений. Эти тонкие вариации имеют периоды от нескольких недель до нескольких лет. Их связывают с взаимодействием динамической атмосферы и самой Земли. Международная служба вращения Земли и систем отсчета следит за изменениями.
В отсутствие внешних моментов момент импульса Земли как всей системы должен быть постоянным. Внутренние крутящие моменты возникают из-за относительных движений и перераспределения массы ядра, мантии, коры, океанов, атмосферы и криосферы Земли . Чтобы сохранить общий угловой момент постоянным, изменение углового момента в одной области обязательно должно быть уравновешено изменениями углового момента в других областях.
Движения земной коры (такие как дрейф континентов ) или таяние полярной шапки — это медленные вековые события. По оценкам , характерное время связи между ядром и мантией составляет порядка десяти лет, а так называемые «десятилетние колебания» скорости вращения Земли , как полагают, являются результатом колебаний внутри ядра, передаваемых мантии. [1] Продолжительность дня (LOD) существенно меняется даже для временных масштабов от нескольких лет до недель (рисунок), а наблюдаемые колебания LOD - после устранения воздействия внешних моментов - являются прямым следствием воздействия внутренних моментов. Эти кратковременные колебания, весьма вероятно, вызваны взаимодействием твердой Земли и атмосферы.
Продолжительность дня на других планетах также варьируется, особенно на планете Венера , которая имеет настолько динамичную и сильную атмосферу, что продолжительность дня колеблется до 20 минут. [2]
Любое изменение осевой составляющей атмосферного момента количества движения (ААМ) должно сопровождаться соответствующим изменением момента количества движения земной коры и мантии (в силу закона сохранения момента количества движения). Поскольку на момент инерции системы мантия-кора нагрузка атмосферного давления оказывает лишь незначительное влияние, для этого главным образом требуется изменение угловой скорости твердой Земли; т.е. изменение LOD. В настоящее время LOD может быть измерен с высокой точностью за время интегрирования всего в несколько часов [3] , а модели общей циркуляции атмосферы позволяют с высокой точностью определять изменения AAM в модели. [4] Сравнение между AAM и LOD показывает, что они сильно коррелируют. В частности, выделяют годовой период ЛОД с амплитудой 0,34 миллисекунды, достигающий максимума 3 февраля, и полугодовой период с амплитудой 0,29 миллисекунды, достигающий максимума 8 мая [5] , а также 10-дневные колебания порядка 0,1 миллисекунды. Также наблюдались межсезонные колебания, отражающие явления Эль-Ниньо , и квазидвухлетние колебания. [6] В настоящее время существует общее мнение, что большинство изменений LOD во временных масштабах от недель до нескольких лет вызваны изменениями в AAM. [7]
Одним из средств обмена угловым моментом между атмосферой и негазовыми частями Земли являются испарение и осадки. Круговорот воды перемещает огромные количества воды между океанами и атмосферой. По мере того как масса воды (пара) поднимается, ее вращение должно замедляться из-за сохранения углового момента. Точно так же, когда идет дождь, скорость его вращения увеличивается для сохранения углового момента. Любой чистый глобальный перенос водной массы из океанов в атмосферу или наоборот подразумевает изменение скорости вращения твердой/жидкой Земли, что будет отражено в LOD. [ нужна цитата ]
Данные наблюдений показывают, что между изменением AAM и соответствующим изменением LOD нет значительной временной задержки в течение периодов, превышающих примерно 10 дней. Это подразумевает сильную связь между атмосферой и твердой Землей из-за поверхностного трения с постоянной времени около 7 дней, времени замедления вращения слоя Экмана . Это время замедления вращения является характерным временем передачи осевого углового момента атмосферы к поверхности Земли и наоборот.
Зональная составляющая ветра на Земле, наиболее эффективная для передачи осевого углового момента между Землей и атмосферой, является составляющей, описывающей жесткое вращение атмосферы. [8] Зональный ветер этой компоненты имеет амплитуду u на экваторе относительно земли, где u > 0 указывает на сверхвращение, а u < 0 указывает на ретроградное вращение относительно твердой Земли. Все остальные ветровые составляющие просто перераспределяют ААМ по широте, и этот эффект сводится на нет при усреднении по земному шару.
Поверхностное трение позволяет атмосфере «подбирать» угловой момент от Земли в случае ретроградного вращения или передавать его Земле в случае сверхвращения . При усреднении по более длительным временным масштабам обмена ААМ с твердой Землей не происходит. Земля и атмосфера разделены. Это означает, что зональная составляющая ветра на уровне земли, ответственная за жесткое вращение, должна быть в среднем равна нулю. Действительно, наблюдаемая меридиональная структура климатического среднезонального ветра на местности показывает западные ветры (с запада) в средних широтах за пределами примерно ±30 ° широты и восточные ветры (с востока) в низких широтах — пассаты — также как вблизи полюсов ( преобладающие ветры ). [9] Атмосфера принимает угловой момент от Земли в низких и высоких широтах и передает такое же количество Земле в средних широтах.
Любое кратковременное колебание жестко вращающейся зональной компоненты ветра сопровождается соответствующим изменением LOD. Чтобы оценить порядок величины этого эффекта, можно считать, что вся атмосфера жестко вращается со скоростью u (в м/с) без поверхностного трения. Тогда это значение связано с соответствующим изменением продолжительности дня Δ τ (в миллисекундах ) как
Годовая составляющая изменения длины дня Δ τ ≈ 0,34 мс соответствует тогда сверхвращению u ≈ 0,9 м/с, а полугодовая составляющая Δ τ ≈ 0,29 мс – u ≈ 0,8 м/с.
