Главная > Астрономия

Изменение наклона земной оси и смещение географических полюсов.

9 июня 2013 | Просмотров: 717

Вращающаяся Земля представляет из себя гироскоп с небольшой прецессией оси вращения и весьма внушительным собственным моментом количества движения (при радиусе 6400 километров и массе 6·1021 тонн Земля делает оборот всего лишь за сутки!), т.е. является весьма инерционным объектом (объектом, который «сильно сопротивляется» попыткам изменить характеристики его движения).

Автор: Admin

Вращающаяся Земля представляет из себя гироскоп с небольшой прецессией оси вращения и весьма внушительным собственным моментом количества движения (при радиусе 6400 километров и массе 6·1021 тонн Земля делает оборот всего лишь за сутки!), т.е. является весьма инерционным объектом (объектом, который «сильно сопротивляется» попыткам изменить характеристики его движения). Кроме того, для получения необходимого эффекта нужен весьма специфический вид воздействия (не простая физическая сила, а именно вращательно-опрокидывающий момент), откуда следует, в частности, что подобное внезапное изменение наклона оси Земли не может быть вызвано, скажем, гравитационным взаимодействием с каким-либо «проходящим мимо» космическим телом. Такой вращательно - опрокидывающий момент может возникнуть, например, при касательном (или близком к касательному) ударе метеорита. С помощью механики гироскопов в самом грубом приближении вполне можно оценить нагрузку, необходимую для поворота земной оси при таком ударе метеорита. Для упрощения расчетов будем считать Землю однородным твердым шаром с радиусом R и массой M, вращающимся до столкновения с угловой скоростью . Будем также считать, что весь импульс (или количество движения) метеорита при его касательном столкновении с земной поверхностью перейдет на смещение земной оси (т.е. на изменение вектора угловой скорости ее вращения). То есть весь момент количества движения метеорита (относительно центра Земли) при столкновении с Землей пойдет на изменение собственного момента количества движения Земли. Или в математическом выражении: где - момент инерции Земли относительно своей оси симметрии, m - масса падающего метеорита, v - скорость падающего метеорита, - величина изменения угловой скорости вращения Земли, определяемая соотношением Принимая для простоты, что угловая скорость вращения Земли после удара метеорита (то есть изменяется лишь ось вращения, а не его величина), получим где - угол смещения земной оси. Тогда легко посчитать, что для поворота оси вращения Земли на угол равный 20о (определяемый из необходимых климатических изменений - см. далее) для метеорита, подлетающего к Земле со скоростью 100 км/сек, требуются размеры, по самым скромным подсчетам, никак не менее 1000 километров в диаметре. И это при весьма идеализированной картине столкновения - учет реальной неоднородности Земли и потерь энергии на процессы, не связанные со смещением оси, ведет к заметному увеличению требуемых размеров метеорита. Подобные размеры имеют лишь самые крупные известные метеориты в Солнечной системе ( Например Церера), вероятность столкновения с которыми хотя и не равна нулю, но очень и очень мала. Кроме того, очевидно, что «камушек» таких размеров если и не приведет к «сносу» части планеты Земля (диаметр которой всего 12800 км), то уж наверняка уничтожит на ней все живое. Поскольку же среди результатов известных нам катаклизмов . гибель всего живого на Земле (как и самой планеты Земля) не числится, рассматривать всерьез версию изменения наклона земной оси вряд ли стоит. Однако этот вывод из, цитируемой выше, статьи А. Склярова, относится к СИЛЬНОМУ "ОДНОМОМЕНТНОМ" смещению, а вот наличие медленного дрейфа географических полюсов - факт абсолютно точный. Смещение географических полюсов. Проводящиеся в течение многих десятилетий наблюдения на станциях Международной службы движения полюсов Земли (до 1961 г. именовалась Международной службой широты; была создана в 1899 г.), а также 20-летние измерения с помощью геодезических спутников указывают, что тело планеты, а значит, географическая ось Земли, отклоняется от оси ее вращения (неизменной в пространстве, если не учитывать прецессию и нутацию) со скоростью около 10 см/год, т.е. примерно на 1o в 1 млн лет. Однако оценки истинного смещения в масштабах миллионов лет очень неопределенны. Предполагается, что за эпоху кайнозоя (последние 65 млн лет) этот дрейф составил около 10o, причем последние 10 млн лет его скорость достигает 0.5o в 1 млн лет. Постоянное смещение географических полюсов раньше объяснялось главным образом таянием ледников: потоки втекают в Мировой океан и тем самым изменяют общее распределение масс в теле Земли, на что она реагирует сменой характера своего вращения. Но это справедливо лишь относительно последних веков и не объясняет процессы, происходившие в предшествующие миллионы лет. Смещение географических полюсов и движение литосферных плит Недавно новое объяснение предложили геофизики Б.Штайнберг (B.Steinberg; Институт метеорологии и геофизики при Франкфуртском университете, Германия) и Р.Дж.О`Коннелл (R.J.O`Connell; Гарвардский университет, Кембридж, штат Массачусетс). Они построили модель геоида (для эпохи кайнозоя) с учетом движений в мантии Земли, соответствующих топографическим аномалиям, а также движений литосферных плит; были вычислены величины адвекции в мантии с ее неоднородностями плотности (т.е. горизонтальное перемещение масс, вызывающее изменение их физических свойств). Можно считать более или менее установленным, что основная причина аномалий в распределении масс Земли, отвечающих за отклонения от идеальной сферы, - это холодные и высокоплотные плиты коры, погружающиеся в пределах глубоководных желобов в земные недра. В результате удалось создать правдоподобную картину того, как должны были смещаться географические полюса нашей планеты в течение последних 65 млн лет. Эта картина оказалась весьма сходной с той, которая воссоздается по данным палеомагнетизма на основе реконструкции местоположения плит земной коры относительно неподвижных горячих мантийных струй, поднимающихся к поверхности Земли. Смещение географических полюсов и геотектоника Интересную работу проделал Б.Чао с коллегами (B.Chao; Центр космических полетов им.Годдарда НАСА США, Гринбелт, штат Мэриленд). В 1996 г. они рассмотрели вопрос о том, как сейсмическая активность в период с 1977 г. могла повлиять на характер вращения Земли. Подземные толчки смещают большие участки земной коры и лежащей под ней мантии, перераспределяя массу планеты. Такие смещения могут изменять положение географического полюса и его скорость относительно оси вращения Земли, подобно тому как разброс рук танцовщика на льду (или, наоборот, их вытягивание вдоль тела) влияет на его вращение. Специалисты из группы Чао пришли к выводу, что землетрясения после 1977 г. в совокупности привели к перемещению Северного географического полюса в направлении Японии со средней скоростью примерно 6 см в столетие. По их мнению, такая тенденция сохранялась в течение всего нынешнего века. В 1997 г. эту работу продолжила группа Дж.Спада (G.Spada; Болонский университет, Италия). Они сопоставили изменения в наклоне географической оси Земли с магнитудой отмечавшихся в тот же период мощных подземных толчков. Известно, что наиболее сильные землетрясения порождают взаимодействие двух соседних литосферных плит, когда одна из них погружается под другую и "зацепляет" ее. При таких землетрясениях кора и мантия начинают резко колебаться вверх и вниз, вызывая мощные сейсмические волны. Происходящее в этих условиях перераспределение масс определяется рядом факторов, в частности зависит от того, под каким углом к поверхности погружается плита. Но, по расчетам Спада, наиболее вероятное перераспределение масс таково, что Северный полюс сдвигается по долготе, на которой расположен эпицентр соответствующего толчка. Большинство землетрясений происходит в области "огненного кольца", охватывающего по периметру весь Тихий океан, поэтому Северный полюс и перемещается от Арктики в сторону Японского архипелага. Зависимость движения полюсов планеты от сейсмической активности напрямую измерить весьма сложно, так как ее маскирует множество иных факторов. Например, тысячелетнее таяние ледников тоже привело к перераспределению масс на планете, что должно было отразиться на характере ее вращения. Накопленное вследствие этого смещение полюсов уже измерено астрометрическими методами (по изменению географической широты обсерваторий, где проводятся точные наблюдения за положением звезд). Сейчас это перемещение происходит, наоборот, в сторону от Японии, и его скорость достигает 10 см/год. Однако, по мнению Спада, в масштабах времени 10 - 100 млн лет на смещение коры и мантии Земли сейсмика может иметь более существенное влияние, чем таяние ледников. Чао считает утверждения Спада правдоподобными и намерен подтвердить их, изучая последствия какого-либо мощного землетрясения. По его мнению, даже один толчок магнитудой 8.5 по шкале Рихтера мог бы сдвинуть полюс на несколько миллиметров, а подобное изменение астрономы зафиксировать уже в состоянии.