Продолжительность дня ( LOD ), которая увеличилась за длительный период 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 LOD подвержена ряду различных изменений. Эти тонкие изменения имеют периоды от нескольких недель до нескольких лет. Они приписываются взаимодействиям между динамической атмосферой и самой Землей. Международная служба вращения Земли и систем отсчета отслеживает изменения.
При отсутствии внешних моментов полный момент импульса Земли как целой системы должен быть постоянным. Внутренние моменты импульса обусловлены относительными движениями и перераспределением масс ядра, мантии, коры, океанов, атмосферы и криосферы Земли . Для того чтобы поддерживать постоянный полный момент импульса , изменение момента импульса в одной области должно обязательно уравновешиваться изменениями момента импульса в других областях.
Движения земной коры (например, дрейф континентов ) или плавление полярной шапки являются медленными вековыми (непериодическими) событиями. Характерное время связи между ядром и мантией оценивается примерно в десять лет, а так называемые «десятилетние колебания» скорости вращения Земли, как полагают, являются результатом колебаний внутри ядра, переданных мантии. [1] Продолжительность дня (LOD) значительно варьируется даже для временных масштабов от нескольких лет до недель (рисунок), и наблюдаемые колебания LOD — после устранения эффектов внешних моментов — являются прямым следствием действия внутренних моментов. Эти краткосрочные колебания, весьма вероятно, генерируются взаимодействием между твердой Землей и атмосферой.
Продолжительность дня на других планетах также варьируется, особенно на планете Венера , которая имеет такую динамичную и сильную атмосферу, что продолжительность дня на ней колеблется до 20 минут. [2]
Любое изменение осевой составляющей атмосферного углового момента (AAM) должно сопровождаться соответствующим изменением углового момента земной коры и мантии (вследствие закона сохранения углового момента). Поскольку момент инерции системы мантия-кора лишь незначительно зависит от нагрузки атмосферного давления, для этого в основном требуется изменение угловой скорости твердой Земли; т. е . изменение LOD. LOD в настоящее время можно измерить с высокой точностью за время интегрирования всего несколько часов [3] , а модели общей циркуляции атмосферы позволяют с высокой точностью определять изменения AAM в модели. [4] Сравнение AAM и LOD показывает, что они сильно коррелируют. В частности, выделяется годовой период LOD 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 события Эль-Ниньо и квазидвухлетние колебания. [6] В настоящее время существует общее согласие, что большинство изменений LOD в масштабах времени от недель до нескольких лет вызваны изменениями AAM. [7]
Одним из способов обмена угловым моментом между атмосферой и негазообразными частями Земли является испарение и осадки. Водный цикл перемещает огромные количества воды между океанами и атмосферой. По мере того, как масса воды (пара) увеличивается, ее вращение должно замедляться из-за сохранения углового момента. Точно так же, когда она выпадает в виде дождя, ее скорость вращения будет увеличиваться для сохранения углового момента. Любой чистый глобальный перенос массы воды из океанов в атмосферу или наоборот подразумевает изменение скорости вращения твердой/жидкой Земли, что будет отражено в LOD. [ необходима цитата ]
Данные наблюдений показывают, что нет значительной временной задержки между изменением AAM и соответствующим ему изменением LOD для периодов, превышающих примерно 10 дней. Это подразумевает сильную связь между атмосферой и твердой Землей из-за поверхностного трения с постоянной времени около 7 дней, временем замедления спина слоя Экмана . Это время замедления спина является характерным временем для передачи атмосферного осевого углового момента на поверхность Земли и наоборот.
Зональный компонент ветра на земле, который наиболее эффективен для передачи осевого углового момента между Землей и атмосферой, является компонентом, описывающим жесткое вращение атмосферы. [8] Зональный ветер этого компонента имеет амплитуду u на экваторе относительно земли, где u > 0 указывает на суперротацию, а u < 0 указывает на ретроградное вращение относительно твердой Земли. Все другие ветровые члены просто перераспределяют AAM с широтой, эффект, который отменяется при усреднении по земному шару.
Поверхностное трение позволяет атмосфере «забирать» угловой момент от Земли в случае ретроградного вращения или отдавать его Земле в случае суперротации . Усреднение по более длительным временным масштабам показывает, что обмен AAM с твердой Землей не происходит. Земля и атмосфера разделены. Это означает, что зональный компонент ветра на уровне земли, ответственный за жесткое вращение, должен быть в среднем равен нулю. Действительно, наблюдаемая меридиональная структура климатического среднего зонального ветра на земле показывает западные ветры (с запада) в средних широтах за пределами примерно ± 30 o широты и восточные ветры (с востока) в низких широтах — пассаты — а также вблизи полюсов ( преобладающие ветры ). [9] Атмосфера забирает угловой момент от Земли в низких и высоких широтах и передает такое же количество Земле в средних широтах.
Любое кратковременное колебание жестко вращающегося зонального компонента ветра затем сопровождается соответствующим изменением LOD. Чтобы оценить порядок величины этого эффекта, можно считать, что вся атмосфера вращается жестко со скоростью u (в м/с) без поверхностного трения. Затем это значение связано с соответствующим изменением продолжительности дня Δ τ (в миллисекундах) как [ необходима цитата ]
Годовая составляющая изменения продолжительности суток Δ τ ≈ 0,34 мс соответствует тогда суперротации u ≈ 0,9 м/с, а полугодовая составляющая Δ τ ≈ 0,29 мс — u ≈ 0,8 м/с.
