Российские ученые Зиновий Малкин и Наталья Миллер из Пулковской обсерватории обнаружили, что загадочные фазовые "скачки" в колебаниях земных полюсов являются достаточно частым явлением. В общей сложности за последние 160 лет произошло три таких изменения, причем последнее - в 2005 году.
От Эйлера до Чендлера
О том, что ось вращения Земли не стоит на месте, ученые подозревали очень давно. Великий российский математик (родившийся, правда, на территории современной Швейцарии) Леонард Эйлер пытался даже теоретически предсказать период колебаний оси еще в 1755 году. Он исходил из следующих соображений. Если бы Земля была однородным твердым шаром, то, разумеется, ось ее вращения оставалась бы неподвижной. Однако форма Земли далека от идеальной.
Исходя из данных предпосылок, Эйлер вычислил так называемую свободную нутацию - колебания, вызванные неоднородностью формы Земли. В результате ему удалось установить, что период этих колебаний должен составлять примерно 355 дней. Авторитет великого математика был так высок, что последующие полтора века астрономы безуспешно пытались обнаружить предсказанные Эйлером колебания.
Ситуация изменилась, когда в дело вступил американский астроном Сет Карло Чендлер (Seth Carlo Chandler). Он потратил почти тридцать лет на наблюдения за вариациями земной оси, проделав более 33 тысяч сверхточных (по меркам того времени) замеров. Результатом этой кропотливой работы стала серия статей, в которых американский ученый приводил конкретные цифры, описывающие колебания земных полюсов.
Оказалось, что амплитуда колебаний не превосходит 15 метров. При этом колебания слагаются из двух основных компонент. Первая, обусловленная годовым движением Земли вокруг Солнца, имеет период равный как раз одному году. Вторая компонента с периодом 433 дня и оказалась той самой свободной нутацией, период которой неверно вычислил Эйлер. Это колебание получило название чендлеровского (Chandler wobble).
Возможной моделью, описывающей колебания полюса, может являться следующая:
X(t) = A sin(2Пt/P + p),
Y(t) = A cos(2Пt/P + p),
где X, Y - координаты полюса на земной карте. A называется амплитудой, P - периодом, p - начальной фазой колебаний. Выражение под знаком периодической функции в этом случае называется фазой. Именно серию ее резких изменений удалось обнаружить российским специалистам из Пулковской обсерватории.
Почему же Эйлер ошибся почти в полтора раза? Оказалось, что основным недостатком его модели был тот факт, что Земля при расчетах считалась твердым телом, в то время как значительную ее часть составляют, например, океаны.
Загадочный скачок
Очень быстро ученые обнаружили, что амплитуда чендлеровских колебаний не является постоянной величиной. Кроме того, анализ наблюдений, проведенных в 20-х годах XX века, позволил определить, что примерно в 1920 году фаза колебаний неожиданно сдвинулась примерно на 180 градусов.
В 2000 году ученые из Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) объявили, что изменения амплитуды колебаний можно объяснить воздействием целой серии факторов. Среди основных назывались изменения в давлении на дне океана, а также погодные условия. В частности, по расчетам ученых, на первую причину приходится примерно две трети чендлеровского движения.
Однако, несмотря на громкий заголовок "Загадка колебания решена: во всем виноват океан", работа на самом деле обладала рядом недостатков. Главным было то, что ученые использовали данные об изменении местоположения полюса всего за 10 лет (с 1985 года по 1995 год).
Российский вклад
В своей работе Малкин и Миллер использовали все доступные данные наблюдений об изменении местоположения земного полюса. В общей сложности им удалось собрать и привести в порядок информацию о полярных колебаниях за последние 163 года. Собранные данные ученые анализировали, используя изощренную математику, например, теорию вейвлетов.
Оказалось, что, во-первых, фазовый скачок, произошедший в 1920 году, является далеко не уникальным явлением. Исследователи обнаружили два аналогичных скачка в 1850 и 2005 году. Таким образом, как сказал Малкин в интервью РИА Новости, "можно утверждать, что подобные резкие смены фазы происходят с периодичностью примерно 70-80 лет". Правда, точные параметры первого скачка, произошедшего в 1850 году, еще пока не совсем ясны. Это связано с несовершенством приборов для наблюдений того времени. В настоящее время Наталья Миллер занимается сбором данных из различных источников для уточнения того, что же все-таки произошло в 1850 году.
Оказалось также, что каждый фазовый скачок сопровождался резким уменьшением амплитуды колебаний местоположения полюсов. Таким образом, схема изменений оказалась следующей: сначала чендлеровские колебания почти затухали, после чего начинались с новой силой, причем с измененной фазой. В своей работе ученые не высказывают предположений, касающихся природы колебаний фазы, однако в интервью РИА Новости Малкин заявил, что считает основной причиной повторного роста амплитуды погодные условия на планете.
Кроме того, ученые обнаружили большое количество более мелких фазовых сдвигов. В отличие от скачков на 180 градусов, которые пока исследователи объяснить не могут, более мелкие изменения уже были объяснены в работах предшественников. Среди причин этих мелких скачков называют вариации в характеристиках земной мантии, а также атмосферные явления.
Что же дальше?
По словам Малкина и Миллер, следующим этапом их работы станет попытка объяснения происходящих с земной осью событий. В частности, Малкин заявил, что привлечет для исследования физиков, которые смогут объяснить процессы в океанах, влияющие на колебания земной оси. Ученые надеются обнаружить климатические изменения с периодом 70-80 лет, которые можно будет увязать с изменениями в фазе колебаний земной оси.