Все научные статьи
Ферронский В.И. Природа прецессии, нутации и вариаций потенциала силового поля Земли на основе спутниковых данных
Научная статья
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 537а Ферронский В.И. fferron@aqua.laser.ru) Институт водных проблем Российской академии наук
Считается, что прецессия оси вращения Земли происходит под действием момента сил притяжения Солнца и Луны, возникающего из-за избыточной массы в экваториальном поясе планеты, который образовался при ее сжатии. Этот дополнительный момент стремится уменьшить наклон экваториального пояса с избытком массы по отношению к эклиптике и вызывает попятное движение линии узлов. Кроме того, поскольку соотношение расстояний между взаимодействующими телами меняется, то изменяется и соотношение сил взаимодействия. Из-за этого вместе с прецессией появляются дополнительные движения в форме нутации или качания оси вращения.
Анализ орбит движения искусственных спутников вокруг Земли показывает, что, несмотря на отсутствие экваториального избытка массы и влияния силового поля Солнца и Луны, у ИСЗ наблюдается тот же эффект прецессии: плоскость орбиты вращается в направлении, обратном движению спутника с попятным перемещением линии узлов. Однако объяснение этому явлению дается иное. Находят, что попятное перемещение узлов орбиты спутника связано со сжатием Земли, в силовом поле которой происходит движение ИСЗ. При изменении угла наклона орбиты спутника к плоскости экватора планеты меняются амплитуда смещения линии узлов и направление движения линии апсид. Если же плоскость орбиты спутника проходит через полюса Земли, то движение линии узлов вовсе отсутствует. Все эти факты свидетельствуют о правомерности объяснения, связывающего прецессию ИСЗ с распределением масс в теле планеты. Если это так, тогда попятное движение узлов орбиты Луны логично объяснять также сжатием Земли, а попятное движение узлов орбиты самой планеты следует связывать со сжатием Солнца. Как видим, представление о природе прецессии Земли и Луны оказывается противоречивым и нуждается в уточнении с учетом спутниковых наблюдений.
Отметим, что в динамике Земли существуют и другие противоречия. Наряду с давней проблемой неравномерности вращения планеты и движения полюсов, а также эффектом движения полюсов Чандлера с периодом около 420 дней, по данным анализа орбит и гравитационного поля, полученным с помощью спутниковых исследований, было сделано ряд выводов, требующих разрешения. К ним относятся [1, 2, 3]:
1) Земля не находится в гидростатическом равновесии: сумма проекций ее внутренних сил на координатные оси и внутренних моментов относительно этих осей не равна нулю;
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 538а
Результаты спутниковых наблюдений свидетельствуют о том, что условия гидростатического равновесия и основанные на них модели для интерпретации наблюдаемых эффектов динамики Земли как твердого тела, вращающегося по инерции, не подтверждаются наблюдениями и требуют поиска новых подходов. В этой связи нами рассмотрена задача о динамике Земли как самогравитирующего тела на основах динамического равновесия. Здесь внутренние движения планеты происходят под действием собственного внутреннего силового поля, а взаимодействие с внешним миром осуществляется через ее внешнее силовое поле. Результаты этого исследования, изложенные в работе [4], позволяют дать трактовку природы наблюдаемым явлениям прецессии, нутации и вариаций потенциала силового поля планеты, отвечающую спутниковым данным.
1. Представление о прецессии тела в наблюдаемой форме
Виртуальное объяснение, даваемое прецессии Земли, Луны и ИСЗ в форме движения плоскости орбиты в направлении, обратном движению тела, очевидно, появилось в силу трудностей его объяснения в рамках гидростатического равновесия тела, принимавшегося как физическое условие рассматриваемой задачи. В самом деле, плоскость орбиты есть геометрическое место поверхности, очерчиваемое телом, и рассматривать ее перемещение без самого тела не имеет смысла. Представить наблюдаемое движение тела в пространстве в двух противоположных направлениях одновременно не составляет труда. В частности, реальная картина движения ИСЗ (а также Земли и Луны) с обратным (по часовой стрелке в северном полушарии) направлением перемещения плоскости орбиты и попятным движением линии узлов показана на рис. 1.
Здесь ИСЗ движется по незамкнутой орбите в непрерывно меняющемся силовом поле планеты. При этом пока спутник перемещается с ускорением по нисходящей ветви орбиты 1, потенциал силового поля изменяется таким образом, что в перицентре он выводит ИСЗ на восходящую ветвь орбиты 2. В этом случае восходящий узел делает шаг в попятном направлении, а эксцентриситет орбиты уменьшается на определенную величину. Аналогичным образом под действием постоянно меняющегося силового поля тело переходит на орбиту 3, 4, 5 и так далее. Теория динамического равновесия Земли [4] объясняет физику наблюдаемого явления следующим образом.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 539а |
Рис. 1. Реально наблюдаемая картина движения тела А в силовом поле тела В. Цифрами обозначена последовательность витков тела А при движении, вокруг тела В по незамкнутой орбите С.
2. Природа прецессии и нутации на основе динамического равновесия
При условии динамического равновесия Земля является самогравитирующим телом с внутренним и внешним силовым полем, генерируемым массой при взаимодействии ее частиц. Дифференциация массы планеты на неоднородные по плотности асимметричные оболочки происходит под действием внутреннего силового поля. Его тангенциальная составляющая, связанная с неоднородностью оболочек, вызывает их вращение с различной угловой скоростью. При этом оболочки мантии А и внешнего ядра В могут иметь как прямое (рис. 2, а) так и разнонаправленное вращение (рис. 2,6). Судя по спутниковым и астрометрическим наблюдениям, внешнее ядро планеты имеет обратное вращение.
Рис.2. Схема вращения оболочек Земли под действием внутреннего силового поля: А - оболочки мантии; В - внешнее ядро; С - внутреннее ядро; Е - внешнее силовое поле; D - приведенная оболочка внутреннего силового поля.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 540а Внешнее силовое поле непрерывно изменяется из-за различия в скорости вращения масс оболочек, образующих силовое поле Земли. Оно определяет направление и угловую скорость орбитального движения естественного и искусственного спутников. Учитывая неоднородность и асимметрию масс вращающихся оболочек, изменение траектории движения тела сопровождается соответствующим изменением эксцентриситета орбиты. Его максимальное значение имеет место при совпадении максимальных неоднородностеи вращающихся масс, а минимальное достигается при их противоположном положении.
Следует заметить, что поскольку эффект попятного движения узлов орбиты Земли, Луны и ИСЗ оказывается общим явлением, то следует вывод об аналогичном характере строения Солнца, во внешнем силовом поле которого движется Земля. Очевидно и другие планеты и их спутники имеют ту же структуру строения и характер движения.
Таким образом, орбитальное движение Земли и попятное смещение узлов ее орбиты определяет динамика масс Солнца через свое силовое поле. Для Луны и ИСЗ эту роль выполняет Земля. Что касается нутационных движений оси вращения Земли и других тел, то их природа связана с теми же особенностями строения и движения собственных оболочек планеты, которые возмущают верхнюю асимметричную оболочку при каждом ее обороте вокруг оси. Масштаб этих движений значительно ниже и такие движения воспринимаются как качание оси внешней оболочки, движение которой наблюдают.
3. Природа обратного вращения оболочки внешнего ядра Земли
Возникает вопрос, почему внешнее ядро планеты может иметь обратное (по часовой стрелке) вращение? Как показано в работе [4], направление вращения оболочек тела определяет закон радиального распределения плотности массы тел (рис. 3).
Найдено, что в случае однородного распределения плотности массы (1) вся энергия взаимодействия масс реализуется в форме колебательных движений взаимодействующих частиц. При нарастании плотности от поверхности к центру (2) имеет место колебание и прямое вращение оболочек с различной угловой скоростью. При увеличении плотности массы к поверхности (3) происходит колебание и обратное вращение оболочек с разной
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 541а
Рис. 3. Зависимость направления вращения оболочек Земли от закона радиального распределения плотности массы. Здесьаа rm и rg приведенные радиусы инерции и гравитации.
угловой скоростью. Наконец, при параболическом законе распределения плотности (4), когда плотность тела сначала нарастает, а затем падает, имеет место разнонаправленное вращение оболочек. Верхние оболочки имеют прямое, а центральные - обратное вращение. Случай (4), очевидно, является характерным для самогравитирующих тел.
Отметим, что направление вращения в зависимости от радиального распределения плотности подчиняется известному в электродинамике правилу винта Ленца. Судя по наблюдаемому эффекту попятного движения узлов ИСЗ, гравитационная индукция внутреннего и внешнего силового поля Земли имеет общую природу с электромагнитной индукцией, что уже было отмечено ранее [4]. Именно случай (4) объясняет природу попятного движения линии узлов орбиты ИСЗ, связанного с изменением потенциала внешнего силового поля Земли по законам индукции. Непрерывно расходящиеся и сближающиеся асимметричные по массе оболочки мантии и внешнего ядра (рис. 2) есть первопричина прецессии, нутации и вариаций внутреннего и внешнего силового поля, которые фиксируются при исследовании орбит и поля с помощью ИСЗ.
Следует заметить, что возможные динамические эффекты предположительно жидкого ядра Земли, давно обсуждаются в геофизической литературе [2]. Теперь можно с большей уверенностью сказать, что внешнее ядро планеты находится в жидкой фазе и имеет прямое вращение, а идея о его железо-никелевом составе оказалась нереальной.
4. Природа вариаций потенциала силового поля.
Из вышеприведенного описания следует, что изменение потенциала внутреннего и внешнего силового поля в рамках рассматриваемого динамического подхода связано с неоднородным распределением плотности массы самогравитирующего тела. Разнонаправленное вращение внешних и центральных оболочек приводит к наблюдаемым эффектам прецессии, нутации и вариациям собственного силового поля.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 542а В небесной механике проблема наклона плоскостей орбит планет и спутников не обсуждается, а принимается как наблюдаемый факт. В теории динамического равновесия эта задача, включая проблему природы апоцентра и перицентра, объясняются эффектом разнонаправленного вращения асимметричных оболочек мантии и внешнего ядра самогравитирующего тела (см. рис. 2). В самом деле, при асимметричном распределении массы в оболочках Солнца потенциал его внешнего силового поля будет также асимметричным. Эта асимметрия определяет наклон орбиты Земли относительно плоскости вращения Солнца. Каждая точка орбиты отражает условие динамического равновесия взаимодействующих внешних силовых полей планеты и Солнца. Положение апоцентра и перицентра орбиты Земли указывает на положения максимальных и минимальных концентраций масс приведенной силовой оболочки Солнца. Поскольку асимметричные оболочки Солнца вращаются с различными угловыми скоростями, то амплитуда линии узлов будет уменьшаться при удалении аномалий масс оболочек или возрастать при их сближении. Эффект вариаций амплитуды линий узлов подтверждается наблюдениями. Следовательно, современный угол наклона эклиптики к плоскости вращения Солнца, равный ~715', выражает соотношение максимальной и минимальной концентрации плотности масс приведенной силовой оболочки Солнца. Аналогичный эффект отражает наклон плоскости орбиты Луны к плоскости вращения Земли.
6. Природа эффекта Чандлера движения полюсов Земли
Как уже отмечалось, изменения внутреннего силового поля планеты мы наблюдаем в форме нутаций или качания оси вращения. Сама ось вращения отражает динамику лишь внешней оболочки планеты, толщина которой по нашим оценкам составляет около 375 км. Поскольку Луна вращается вокруг Солнца, будучи в силовом поле Земли, последняя для поддержания динамического равновесия при движении по орбите испытывает соответствующие возмущения от своего естественного спутника. Таким максимальным возмущением в годовом временном масштабе очевидно является эффект Чандлера. При этом, лунным годовым циклом будет время земного года умноженное на отношение солнечного к лунному месяцу (в сутках). Тогда этот цикл составит 365(30,5/27) ~ 410 дн.
7. Изменение климата как эффект вращения оболочек Земли
Рассмотренный выше анализ динамических эффектов оболочек Земли основан в первую очередь на данных анализа орбит ИСЗ и измерений силового поля планеты.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 543а
т
200
300
500
600аа Т, тыс-ет
Рис. 4. Изотопный состав кислорода раковин моллюска Globigerinoides Sacculifera за период 0-730 000 лет [Emiliani, 1978].
Он получил картину колебаний климата в плейстоцене за 730 000 лет. Как видно, периоды климатических колебаний за это время составляли от 50 до 120 тыс. лет, что свидетельствует о вращении у Солнца более двух асимметричных по массе оболочек.
8. Заключение
В свое время известные немецкие механики Клейн и Зоммерфельд заметили, что механика Земли оказалась сложнее небесной механики и представляет "запутанные лабиринты геофизики". Для достижения прогресса в области геодинамики и возврата ее в лоно небесной механики предстоит преодолеть эффекты гидростатики.
Здесь мы не углублялись в описание физических и аналитических основ теории динамического равновесия Земли, поскольку они подробно изложены в работе [4].
итература
1.аа Jeffreys Н. The Earth. Its origin, history and physical constitution. 5th Ed. Cambridge:
Cambridge Univ. Press, 1970.
- Мельхиор П. Физика и динамика планет (перевод с франц.). М: Мир. 1976.
- Грушинский Н.П. Теория фигуры Земли. М.: Наука, 1976.
- Ферронский В.И., Ферронский СВ. Динамика Земли. М.: Научный мир. 2007.
- Emiliani С. The cause of the ice ages. Earth and Planet. Sci. Lett.,1978, v.37, p.349-352.
- Земля не является телом вращения, а ее масса имеет асимметричное распределение как относительно экваториальной, так и относительно полярной плоскости;
- Внешнее гравитационное и электромагнитное (силовое) поле северного и южного полушария Земли различаются и постоянно изменяются.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 537а Ферронский В.И. fferron@aqua.laser.ru) Институт водных проблем Российской академии наук
Считается, что прецессия оси вращения Земли происходит под действием момента сил притяжения Солнца и Луны, возникающего из-за избыточной массы в экваториальном поясе планеты, который образовался при ее сжатии. Этот дополнительный момент стремится уменьшить наклон экваториального пояса с избытком массы по отношению к эклиптике и вызывает попятное движение линии узлов. Кроме того, поскольку соотношение расстояний между взаимодействующими телами меняется, то изменяется и соотношение сил взаимодействия. Из-за этого вместе с прецессией появляются дополнительные движения в форме нутации или качания оси вращения.
Анализ орбит движения искусственных спутников вокруг Земли показывает, что, несмотря на отсутствие экваториального избытка массы и влияния силового поля Солнца и Луны, у ИСЗ наблюдается тот же эффект прецессии: плоскость орбиты вращается в направлении, обратном движению спутника с попятным перемещением линии узлов. Однако объяснение этому явлению дается иное. Находят, что попятное перемещение узлов орбиты спутника связано со сжатием Земли, в силовом поле которой происходит движение ИСЗ. При изменении угла наклона орбиты спутника к плоскости экватора планеты меняются амплитуда смещения линии узлов и направление движения линии апсид. Если же плоскость орбиты спутника проходит через полюса Земли, то движение линии узлов вовсе отсутствует. Все эти факты свидетельствуют о правомерности объяснения, связывающего прецессию ИСЗ с распределением масс в теле планеты. Если это так, тогда попятное движение узлов орбиты Луны логично объяснять также сжатием Земли, а попятное движение узлов орбиты самой планеты следует связывать со сжатием Солнца. Как видим, представление о природе прецессии Земли и Луны оказывается противоречивым и нуждается в уточнении с учетом спутниковых наблюдений.
Отметим, что в динамике Земли существуют и другие противоречия. Наряду с давней проблемой неравномерности вращения планеты и движения полюсов, а также эффектом движения полюсов Чандлера с периодом около 420 дней, по данным анализа орбит и гравитационного поля, полученным с помощью спутниковых исследований, было сделано ряд выводов, требующих разрешения. К ним относятся [1, 2, 3]:
1) Земля не находится в гидростатическом равновесии: сумма проекций ее внутренних сил на координатные оси и внутренних моментов относительно этих осей не равна нулю;
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 538а
Результаты спутниковых наблюдений свидетельствуют о том, что условия гидростатического равновесия и основанные на них модели для интерпретации наблюдаемых эффектов динамики Земли как твердого тела, вращающегося по инерции, не подтверждаются наблюдениями и требуют поиска новых подходов. В этой связи нами рассмотрена задача о динамике Земли как самогравитирующего тела на основах динамического равновесия. Здесь внутренние движения планеты происходят под действием собственного внутреннего силового поля, а взаимодействие с внешним миром осуществляется через ее внешнее силовое поле. Результаты этого исследования, изложенные в работе [4], позволяют дать трактовку природы наблюдаемым явлениям прецессии, нутации и вариаций потенциала силового поля планеты, отвечающую спутниковым данным.
1. Представление о прецессии тела в наблюдаемой форме
Виртуальное объяснение, даваемое прецессии Земли, Луны и ИСЗ в форме движения плоскости орбиты в направлении, обратном движению тела, очевидно, появилось в силу трудностей его объяснения в рамках гидростатического равновесия тела, принимавшегося как физическое условие рассматриваемой задачи. В самом деле, плоскость орбиты есть геометрическое место поверхности, очерчиваемое телом, и рассматривать ее перемещение без самого тела не имеет смысла. Представить наблюдаемое движение тела в пространстве в двух противоположных направлениях одновременно не составляет труда. В частности, реальная картина движения ИСЗ (а также Земли и Луны) с обратным (по часовой стрелке в северном полушарии) направлением перемещения плоскости орбиты и попятным движением линии узлов показана на рис. 1.
Здесь ИСЗ движется по незамкнутой орбите в непрерывно меняющемся силовом поле планеты. При этом пока спутник перемещается с ускорением по нисходящей ветви орбиты 1, потенциал силового поля изменяется таким образом, что в перицентре он выводит ИСЗ на восходящую ветвь орбиты 2. В этом случае восходящий узел делает шаг в попятном направлении, а эксцентриситет орбиты уменьшается на определенную величину. Аналогичным образом под действием постоянно меняющегося силового поля тело переходит на орбиту 3, 4, 5 и так далее. Теория динамического равновесия Земли [4] объясняет физику наблюдаемого явления следующим образом.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 539а |
Рис. 1. Реально наблюдаемая картина движения тела А в силовом поле тела В. Цифрами обозначена последовательность витков тела А при движении, вокруг тела В по незамкнутой орбите С.
2. Природа прецессии и нутации на основе динамического равновесия
При условии динамического равновесия Земля является самогравитирующим телом с внутренним и внешним силовым полем, генерируемым массой при взаимодействии ее частиц. Дифференциация массы планеты на неоднородные по плотности асимметричные оболочки происходит под действием внутреннего силового поля. Его тангенциальная составляющая, связанная с неоднородностью оболочек, вызывает их вращение с различной угловой скоростью. При этом оболочки мантии А и внешнего ядра В могут иметь как прямое (рис. 2, а) так и разнонаправленное вращение (рис. 2,6). Судя по спутниковым и астрометрическим наблюдениям, внешнее ядро планеты имеет обратное вращение.
Рис.2. Схема вращения оболочек Земли под действием внутреннего силового поля: А - оболочки мантии; В - внешнее ядро; С - внутреннее ядро; Е - внешнее силовое поле; D - приведенная оболочка внутреннего силового поля.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 540а Внешнее силовое поле непрерывно изменяется из-за различия в скорости вращения масс оболочек, образующих силовое поле Земли. Оно определяет направление и угловую скорость орбитального движения естественного и искусственного спутников. Учитывая неоднородность и асимметрию масс вращающихся оболочек, изменение траектории движения тела сопровождается соответствующим изменением эксцентриситета орбиты. Его максимальное значение имеет место при совпадении максимальных неоднородностеи вращающихся масс, а минимальное достигается при их противоположном положении.
Следует заметить, что поскольку эффект попятного движения узлов орбиты Земли, Луны и ИСЗ оказывается общим явлением, то следует вывод об аналогичном характере строения Солнца, во внешнем силовом поле которого движется Земля. Очевидно и другие планеты и их спутники имеют ту же структуру строения и характер движения.
Таким образом, орбитальное движение Земли и попятное смещение узлов ее орбиты определяет динамика масс Солнца через свое силовое поле. Для Луны и ИСЗ эту роль выполняет Земля. Что касается нутационных движений оси вращения Земли и других тел, то их природа связана с теми же особенностями строения и движения собственных оболочек планеты, которые возмущают верхнюю асимметричную оболочку при каждом ее обороте вокруг оси. Масштаб этих движений значительно ниже и такие движения воспринимаются как качание оси внешней оболочки, движение которой наблюдают.
3. Природа обратного вращения оболочки внешнего ядра Земли
Возникает вопрос, почему внешнее ядро планеты может иметь обратное (по часовой стрелке) вращение? Как показано в работе [4], направление вращения оболочек тела определяет закон радиального распределения плотности массы тел (рис. 3).
Найдено, что в случае однородного распределения плотности массы (1) вся энергия взаимодействия масс реализуется в форме колебательных движений взаимодействующих частиц. При нарастании плотности от поверхности к центру (2) имеет место колебание и прямое вращение оболочек с различной угловой скоростью. При увеличении плотности массы к поверхности (3) происходит колебание и обратное вращение оболочек с разной
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 541а
Рис. 3. Зависимость направления вращения оболочек Земли от закона радиального распределения плотности массы. Здесьаа rm и rg приведенные радиусы инерции и гравитации.
угловой скоростью. Наконец, при параболическом законе распределения плотности (4), когда плотность тела сначала нарастает, а затем падает, имеет место разнонаправленное вращение оболочек. Верхние оболочки имеют прямое, а центральные - обратное вращение. Случай (4), очевидно, является характерным для самогравитирующих тел.
Отметим, что направление вращения в зависимости от радиального распределения плотности подчиняется известному в электродинамике правилу винта Ленца. Судя по наблюдаемому эффекту попятного движения узлов ИСЗ, гравитационная индукция внутреннего и внешнего силового поля Земли имеет общую природу с электромагнитной индукцией, что уже было отмечено ранее [4]. Именно случай (4) объясняет природу попятного движения линии узлов орбиты ИСЗ, связанного с изменением потенциала внешнего силового поля Земли по законам индукции. Непрерывно расходящиеся и сближающиеся асимметричные по массе оболочки мантии и внешнего ядра (рис. 2) есть первопричина прецессии, нутации и вариаций внутреннего и внешнего силового поля, которые фиксируются при исследовании орбит и поля с помощью ИСЗ.
Следует заметить, что возможные динамические эффекты предположительно жидкого ядра Земли, давно обсуждаются в геофизической литературе [2]. Теперь можно с большей уверенностью сказать, что внешнее ядро планеты находится в жидкой фазе и имеет прямое вращение, а идея о его железо-никелевом составе оказалась нереальной.
4. Природа вариаций потенциала силового поля.
Из вышеприведенного описания следует, что изменение потенциала внутреннего и внешнего силового поля в рамках рассматриваемого динамического подхода связано с неоднородным распределением плотности массы самогравитирующего тела. Разнонаправленное вращение внешних и центральных оболочек приводит к наблюдаемым эффектам прецессии, нутации и вариациям собственного силового поля.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 542а В небесной механике проблема наклона плоскостей орбит планет и спутников не обсуждается, а принимается как наблюдаемый факт. В теории динамического равновесия эта задача, включая проблему природы апоцентра и перицентра, объясняются эффектом разнонаправленного вращения асимметричных оболочек мантии и внешнего ядра самогравитирующего тела (см. рис. 2). В самом деле, при асимметричном распределении массы в оболочках Солнца потенциал его внешнего силового поля будет также асимметричным. Эта асимметрия определяет наклон орбиты Земли относительно плоскости вращения Солнца. Каждая точка орбиты отражает условие динамического равновесия взаимодействующих внешних силовых полей планеты и Солнца. Положение апоцентра и перицентра орбиты Земли указывает на положения максимальных и минимальных концентраций масс приведенной силовой оболочки Солнца. Поскольку асимметричные оболочки Солнца вращаются с различными угловыми скоростями, то амплитуда линии узлов будет уменьшаться при удалении аномалий масс оболочек или возрастать при их сближении. Эффект вариаций амплитуды линий узлов подтверждается наблюдениями. Следовательно, современный угол наклона эклиптики к плоскости вращения Солнца, равный ~715', выражает соотношение максимальной и минимальной концентрации плотности масс приведенной силовой оболочки Солнца. Аналогичный эффект отражает наклон плоскости орбиты Луны к плоскости вращения Земли.
6. Природа эффекта Чандлера движения полюсов Земли
Как уже отмечалось, изменения внутреннего силового поля планеты мы наблюдаем в форме нутаций или качания оси вращения. Сама ось вращения отражает динамику лишь внешней оболочки планеты, толщина которой по нашим оценкам составляет около 375 км. Поскольку Луна вращается вокруг Солнца, будучи в силовом поле Земли, последняя для поддержания динамического равновесия при движении по орбите испытывает соответствующие возмущения от своего естественного спутника. Таким максимальным возмущением в годовом временном масштабе очевидно является эффект Чандлера. При этом, лунным годовым циклом будет время земного года умноженное на отношение солнечного к лунному месяцу (в сутках). Тогда этот цикл составит 365(30,5/27) ~ 410 дн.
7. Изменение климата как эффект вращения оболочек Земли
Рассмотренный выше анализ динамических эффектов оболочек Земли основан в первую очередь на данных анализа орбит ИСЗ и измерений силового поля планеты.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 543а
т
200
300
500
600аа Т, тыс-ет
Рис. 4. Изотопный состав кислорода раковин моллюска Globigerinoides Sacculifera за период 0-730 000 лет [Emiliani, 1978].
Он получил картину колебаний климата в плейстоцене за 730 000 лет. Как видно, периоды климатических колебаний за это время составляли от 50 до 120 тыс. лет, что свидетельствует о вращении у Солнца более двух асимметричных по массе оболочек.
8. Заключение
В свое время известные немецкие механики Клейн и Зоммерфельд заметили, что механика Земли оказалась сложнее небесной механики и представляет "запутанные лабиринты геофизики". Для достижения прогресса в области геодинамики и возврата ее в лоно небесной механики предстоит преодолеть эффекты гидростатики.
Здесь мы не углублялись в описание физических и аналитических основ теории динамического равновесия Земли, поскольку они подробно изложены в работе [4].
итература
1.аа Jeffreys Н. The Earth. Its origin, history and physical constitution. 5th Ed. Cambridge:
Cambridge Univ. Press, 1970.
- Мельхиор П. Физика и динамика планет (перевод с франц.). М: Мир. 1976.
- Грушинский Н.П. Теория фигуры Земли. М.: Наука, 1976.
- Ферронский В.И., Ферронский СВ. Динамика Земли. М.: Научный мир. 2007.
- Emiliani С. The cause of the ice ages. Earth and Planet. Sci. Lett.,1978, v.37, p.349-352.
- Земля не является телом вращения, а ее масса имеет асимметричное распределение как относительно экваториальной, так и относительно полярной плоскости;
- Внешнее гравитационное и электромагнитное (силовое) поле северного и южного полушария Земли различаются и постоянно изменяются.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 537а Ферронский В.И. fferron@aqua.laser.ru) Институт водных проблем Российской академии наук
Считается, что прецессия оси вращения Земли происходит под действием момента сил притяжения Солнца и Луны, возникающего из-за избыточной массы в экваториальном поясе планеты, который образовался при ее сжатии. Этот дополнительный момент стремится уменьшить наклон экваториального пояса с избытком массы по отношению к эклиптике и вызывает попятное движение линии узлов. Кроме того, поскольку соотношение расстояний между взаимодействующими телами меняется, то изменяется и соотношение сил взаимодействия. Из-за этого вместе с прецессией появляются дополнительные движения в форме нутации или качания оси вращения.
Анализ орбит движения искусственных спутников вокруг Земли показывает, что, несмотря на отсутствие экваториального избытка массы и влияния силового поля Солнца и Луны, у ИСЗ наблюдается тот же эффект прецессии: плоскость орбиты вращается в направлении, обратном движению спутника с попятным перемещением линии узлов. Однако объяснение этому явлению дается иное. Находят, что попятное перемещение узлов орбиты спутника связано со сжатием Земли, в силовом поле которой происходит движение ИСЗ. При изменении угла наклона орбиты спутника к плоскости экватора планеты меняются амплитуда смещения линии узлов и направление движения линии апсид. Если же плоскость орбиты спутника проходит через полюса Земли, то движение линии узлов вовсе отсутствует. Все эти факты свидетельствуют о правомерности объяснения, связывающего прецессию ИСЗ с распределением масс в теле планеты. Если это так, тогда попятное движение узлов орбиты Луны логично объяснять также сжатием Земли, а попятное движение узлов орбиты самой планеты следует связывать со сжатием Солнца. Как видим, представление о природе прецессии Земли и Луны оказывается противоречивым и нуждается в уточнении с учетом спутниковых наблюдений.
Отметим, что в динамике Земли существуют и другие противоречия. Наряду с давней проблемой неравномерности вращения планеты и движения полюсов, а также эффектом движения полюсов Чандлера с периодом около 420 дней, по данным анализа орбит и гравитационного поля, полученным с помощью спутниковых исследований, было сделано ряд выводов, требующих разрешения. К ним относятся [1, 2, 3]:
1) Земля не находится в гидростатическом равновесии: сумма проекций ее внутренних сил на координатные оси и внутренних моментов относительно этих осей не равна нулю;
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 538а
Результаты спутниковых наблюдений свидетельствуют о том, что условия гидростатического равновесия и основанные на них модели для интерпретации наблюдаемых эффектов динамики Земли как твердого тела, вращающегося по инерции, не подтверждаются наблюдениями и требуют поиска новых подходов. В этой связи нами рассмотрена задача о динамике Земли как самогравитирующего тела на основах динамического равновесия. Здесь внутренние движения планеты происходят под действием собственного внутреннего силового поля, а взаимодействие с внешним миром осуществляется через ее внешнее силовое поле. Результаты этого исследования, изложенные в работе [4], позволяют дать трактовку природы наблюдаемым явлениям прецессии, нутации и вариаций потенциала силового поля планеты, отвечающую спутниковым данным.
1. Представление о прецессии тела в наблюдаемой форме
Виртуальное объяснение, даваемое прецессии Земли, Луны и ИСЗ в форме движения плоскости орбиты в направлении, обратном движению тела, очевидно, появилось в силу трудностей его объяснения в рамках гидростатического равновесия тела, принимавшегося как физическое условие рассматриваемой задачи. В самом деле, плоскость орбиты есть геометрическое место поверхности, очерчиваемое телом, и рассматривать ее перемещение без самого тела не имеет смысла. Представить наблюдаемое движение тела в пространстве в двух противоположных направлениях одновременно не составляет труда. В частности, реальная картина движения ИСЗ (а также Земли и Луны) с обратным (по часовой стрелке в северном полушарии) направлением перемещения плоскости орбиты и попятным движением линии узлов показана на рис. 1.
Здесь ИСЗ движется по незамкнутой орбите в непрерывно меняющемся силовом поле планеты. При этом пока спутник перемещается с ускорением по нисходящей ветви орбиты 1, потенциал силового поля изменяется таким образом, что в перицентре он выводит ИСЗ на восходящую ветвь орбиты 2. В этом случае восходящий узел делает шаг в попятном направлении, а эксцентриситет орбиты уменьшается на определенную величину. Аналогичным образом под действием постоянно меняющегося силового поля тело переходит на орбиту 3, 4, 5 и так далее. Теория динамического равновесия Земли [4] объясняет физику наблюдаемого явления следующим образом.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 539а |
Рис. 1. Реально наблюдаемая картина движения тела А в силовом поле тела В. Цифрами обозначена последовательность витков тела А при движении, вокруг тела В по незамкнутой орбите С.
2. Природа прецессии и нутации на основе динамического равновесия
При условии динамического равновесия Земля является самогравитирующим телом с внутренним и внешним силовым полем, генерируемым массой при взаимодействии ее частиц. Дифференциация массы планеты на неоднородные по плотности асимметричные оболочки происходит под действием внутреннего силового поля. Его тангенциальная составляющая, связанная с неоднородностью оболочек, вызывает их вращение с различной угловой скоростью. При этом оболочки мантии А и внешнего ядра В могут иметь как прямое (рис. 2, а) так и разнонаправленное вращение (рис. 2,6). Судя по спутниковым и астрометрическим наблюдениям, внешнее ядро планеты имеет обратное вращение.
Рис.2. Схема вращения оболочек Земли под действием внутреннего силового поля: А - оболочки мантии; В - внешнее ядро; С - внутреннее ядро; Е - внешнее силовое поле; D - приведенная оболочка внутреннего силового поля.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 540а Внешнее силовое поле непрерывно изменяется из-за различия в скорости вращения масс оболочек, образующих силовое поле Земли. Оно определяет направление и угловую скорость орбитального движения естественного и искусственного спутников. Учитывая неоднородность и асимметрию масс вращающихся оболочек, изменение траектории движения тела сопровождается соответствующим изменением эксцентриситета орбиты. Его максимальное значение имеет место при совпадении максимальных неоднородностеи вращающихся масс, а минимальное достигается при их противоположном положении.
Следует заметить, что поскольку эффект попятного движения узлов орбиты Земли, Луны и ИСЗ оказывается общим явлением, то следует вывод об аналогичном характере строения Солнца, во внешнем силовом поле которого движется Земля. Очевидно и другие планеты и их спутники имеют ту же структуру строения и характер движения.
Таким образом, орбитальное движение Земли и попятное смещение узлов ее орбиты определяет динамика масс Солнца через свое силовое поле. Для Луны и ИСЗ эту роль выполняет Земля. Что касается нутационных движений оси вращения Земли и других тел, то их природа связана с теми же особенностями строения и движения собственных оболочек планеты, которые возмущают верхнюю асимметричную оболочку при каждом ее обороте вокруг оси. Масштаб этих движений значительно ниже и такие движения воспринимаются как качание оси внешней оболочки, движение которой наблюдают.
3. Природа обратного вращения оболочки внешнего ядра Земли
Возникает вопрос, почему внешнее ядро планеты может иметь обратное (по часовой стрелке) вращение? Как показано в работе [4], направление вращения оболочек тела определяет закон радиального распределения плотности массы тел (рис. 3).
Найдено, что в случае однородного распределения плотности массы (1) вся энергия взаимодействия масс реализуется в форме колебательных движений взаимодействующих частиц. При нарастании плотности от поверхности к центру (2) имеет место колебание и прямое вращение оболочек с различной угловой скоростью. При увеличении плотности массы к поверхности (3) происходит колебание и обратное вращение оболочек с разной
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 541а
Рис. 3. Зависимость направления вращения оболочек Земли от закона радиального распределения плотности массы. Здесьаа rm и rg приведенные радиусы инерции и гравитации.
угловой скоростью. Наконец, при параболическом законе распределения плотности (4), когда плотность тела сначала нарастает, а затем падает, имеет место разнонаправленное вращение оболочек. Верхние оболочки имеют прямое, а центральные - обратное вращение. Случай (4), очевидно, является характерным для самогравитирующих тел.
Отметим, что направление вращения в зависимости от радиального распределения плотности подчиняется известному в электродинамике правилу винта Ленца. Судя по наблюдаемому эффекту попятного движения узлов ИСЗ, гравитационная индукция внутреннего и внешнего силового поля Земли имеет общую природу с электромагнитной индукцией, что уже было отмечено ранее [4]. Именно случай (4) объясняет природу попятного движения линии узлов орбиты ИСЗ, связанного с изменением потенциала внешнего силового поля Земли по законам индукции. Непрерывно расходящиеся и сближающиеся асимметричные по массе оболочки мантии и внешнего ядра (рис. 2) есть первопричина прецессии, нутации и вариаций внутреннего и внешнего силового поля, которые фиксируются при исследовании орбит и поля с помощью ИСЗ.
Следует заметить, что возможные динамические эффекты предположительно жидкого ядра Земли, давно обсуждаются в геофизической литературе [2]. Теперь можно с большей уверенностью сказать, что внешнее ядро планеты находится в жидкой фазе и имеет прямое вращение, а идея о его железо-никелевом составе оказалась нереальной.
4. Природа вариаций потенциала силового поля.
Из вышеприведенного описания следует, что изменение потенциала внутреннего и внешнего силового поля в рамках рассматриваемого динамического подхода связано с неоднородным распределением плотности массы самогравитирующего тела. Разнонаправленное вращение внешних и центральных оболочек приводит к наблюдаемым эффектам прецессии, нутации и вариациям собственного силового поля.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 542а В небесной механике проблема наклона плоскостей орбит планет и спутников не обсуждается, а принимается как наблюдаемый факт. В теории динамического равновесия эта задача, включая проблему природы апоцентра и перицентра, объясняются эффектом разнонаправленного вращения асимметричных оболочек мантии и внешнего ядра самогравитирующего тела (см. рис. 2). В самом деле, при асимметричном распределении массы в оболочках Солнца потенциал его внешнего силового поля будет также асимметричным. Эта асимметрия определяет наклон орбиты Земли относительно плоскости вращения Солнца. Каждая точка орбиты отражает условие динамического равновесия взаимодействующих внешних силовых полей планеты и Солнца. Положение апоцентра и перицентра орбиты Земли указывает на положения максимальных и минимальных концентраций масс приведенной силовой оболочки Солнца. Поскольку асимметричные оболочки Солнца вращаются с различными угловыми скоростями, то амплитуда линии узлов будет уменьшаться при удалении аномалий масс оболочек или возрастать при их сближении. Эффект вариаций амплитуды линий узлов подтверждается наблюдениями. Следовательно, современный угол наклона эклиптики к плоскости вращения Солнца, равный ~715', выражает соотношение максимальной и минимальной концентрации плотности масс приведенной силовой оболочки Солнца. Аналогичный эффект отражает наклон плоскости орбиты Луны к плоскости вращения Земли.
6. Природа эффекта Чандлера движения полюсов Земли
Как уже отмечалось, изменения внутреннего силового поля планеты мы наблюдаем в форме нутаций или качания оси вращения. Сама ось вращения отражает динамику лишь внешней оболочки планеты, толщина которой по нашим оценкам составляет около 375 км. Поскольку Луна вращается вокруг Солнца, будучи в силовом поле Земли, последняя для поддержания динамического равновесия при движении по орбите испытывает соответствующие возмущения от своего естественного спутника. Таким максимальным возмущением в годовом временном масштабе очевидно является эффект Чандлера. При этом, лунным годовым циклом будет время земного года умноженное на отношение солнечного к лунному месяцу (в сутках). Тогда этот цикл составит 365(30,5/27) ~ 410 дн.
7. Изменение климата как эффект вращения оболочек Земли
Рассмотренный выше анализ динамических эффектов оболочек Земли основан в первую очередь на данных анализа орбит ИСЗ и измерений силового поля планеты.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 543а
т
200
300
500
600аа Т, тыс-ет
Рис. 4. Изотопный состав кислорода раковин моллюска Globigerinoides Sacculifera за период 0-730 000 лет [Emiliani, 1978].
Он получил картину колебаний климата в плейстоцене за 730 000 лет. Как видно, периоды климатических колебаний за это время составляли от 50 до 120 тыс. лет, что свидетельствует о вращении у Солнца более двух асимметричных по массе оболочек.
8. Заключение
В свое время известные немецкие механики Клейн и Зоммерфельд заметили, что механика Земли оказалась сложнее небесной механики и представляет "запутанные лабиринты геофизики". Для достижения прогресса в области геодинамики и возврата ее в лоно небесной механики предстоит преодолеть эффекты гидростатики.
Здесь мы не углублялись в описание физических и аналитических основ теории динамического равновесия Земли, поскольку они подробно изложены в работе [4].
итература
1.аа Jeffreys Н. The Earth. Its origin, history and physical constitution. 5th Ed. Cambridge:
Cambridge Univ. Press, 1970.
- Мельхиор П. Физика и динамика планет (перевод с франц.). М: Мир. 1976.
- Грушинский Н.П. Теория фигуры Земли. М.: Наука, 1976.
- Ферронский В.И., Ферронский СВ. Динамика Земли. М.: Научный мир. 2007.
- Emiliani С. The cause of the ice ages. Earth and Planet. Sci. Lett.,1978, v.37, p.349-352.
- Земля не является телом вращения, а ее масса имеет асимметричное распределение как относительно экваториальной, так и относительно полярной плоскости;
- Внешнее гравитационное и электромагнитное (силовое) поле северного и южного полушария Земли различаются и постоянно изменяются.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 537а Ферронский В.И. fferron@aqua.laser.ru) Институт водных проблем Российской академии наук
Считается, что прецессия оси вращения Земли происходит под действием момента сил притяжения Солнца и Луны, возникающего из-за избыточной массы в экваториальном поясе планеты, который образовался при ее сжатии. Этот дополнительный момент стремится уменьшить наклон экваториального пояса с избытком массы по отношению к эклиптике и вызывает попятное движение линии узлов. Кроме того, поскольку соотношение расстояний между взаимодействующими телами меняется, то изменяется и соотношение сил взаимодействия. Из-за этого вместе с прецессией появляются дополнительные движения в форме нутации или качания оси вращения.
Анализ орбит движения искусственных спутников вокруг Земли показывает, что, несмотря на отсутствие экваториального избытка массы и влияния силового поля Солнца и Луны, у ИСЗ наблюдается тот же эффект прецессии: плоскость орбиты вращается в направлении, обратном движению спутника с попятным перемещением линии узлов. Однако объяснение этому явлению дается иное. Находят, что попятное перемещение узлов орбиты спутника связано со сжатием Земли, в силовом поле которой происходит движение ИСЗ. При изменении угла наклона орбиты спутника к плоскости экватора планеты меняются амплитуда смещения линии узлов и направление движения линии апсид. Если же плоскость орбиты спутника проходит через полюса Земли, то движение линии узлов вовсе отсутствует. Все эти факты свидетельствуют о правомерности объяснения, связывающего прецессию ИСЗ с распределением масс в теле планеты. Если это так, тогда попятное движение узлов орбиты Луны логично объяснять также сжатием Земли, а попятное движение узлов орбиты самой планеты следует связывать со сжатием Солнца. Как видим, представление о природе прецессии Земли и Луны оказывается противоречивым и нуждается в уточнении с учетом спутниковых наблюдений.
Отметим, что в динамике Земли существуют и другие противоречия. Наряду с давней проблемой неравномерности вращения планеты и движения полюсов, а также эффектом движения полюсов Чандлера с периодом около 420 дней, по данным анализа орбит и гравитационного поля, полученным с помощью спутниковых исследований, было сделано ряд выводов, требующих разрешения. К ним относятся [1, 2, 3]:
1) Земля не находится в гидростатическом равновесии: сумма проекций ее внутренних сил на координатные оси и внутренних моментов относительно этих осей не равна нулю;
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 538а
Результаты спутниковых наблюдений свидетельствуют о том, что условия гидростатического равновесия и основанные на них модели для интерпретации наблюдаемых эффектов динамики Земли как твердого тела, вращающегося по инерции, не подтверждаются наблюдениями и требуют поиска новых подходов. В этой связи нами рассмотрена задача о динамике Земли как самогравитирующего тела на основах динамического равновесия. Здесь внутренние движения планеты происходят под действием собственного внутреннего силового поля, а взаимодействие с внешним миром осуществляется через ее внешнее силовое поле. Результаты этого исследования, изложенные в работе [4], позволяют дать трактовку природы наблюдаемым явлениям прецессии, нутации и вариаций потенциала силового поля планеты, отвечающую спутниковым данным.
1. Представление о прецессии тела в наблюдаемой форме
Виртуальное объяснение, даваемое прецессии Земли, Луны и ИСЗ в форме движения плоскости орбиты в направлении, обратном движению тела, очевидно, появилось в силу трудностей его объяснения в рамках гидростатического равновесия тела, принимавшегося как физическое условие рассматриваемой задачи. В самом деле, плоскость орбиты есть геометрическое место поверхности, очерчиваемое телом, и рассматривать ее перемещение без самого тела не имеет смысла. Представить наблюдаемое движение тела в пространстве в двух противоположных направлениях одновременно не составляет труда. В частности, реальная картина движения ИСЗ (а также Земли и Луны) с обратным (по часовой стрелке в северном полушарии) направлением перемещения плоскости орбиты и попятным движением линии узлов показана на рис. 1.
Здесь ИСЗ движется по незамкнутой орбите в непрерывно меняющемся силовом поле планеты. При этом пока спутник перемещается с ускорением по нисходящей ветви орбиты 1, потенциал силового поля изменяется таким образом, что в перицентре он выводит ИСЗ на восходящую ветвь орбиты 2. В этом случае восходящий узел делает шаг в попятном направлении, а эксцентриситет орбиты уменьшается на определенную величину. Аналогичным образом под действием постоянно меняющегося силового поля тело переходит на орбиту 3, 4, 5 и так далее. Теория динамического равновесия Земли [4] объясняет физику наблюдаемого явления следующим образом.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 539а |
Рис. 1. Реально наблюдаемая картина движения тела А в силовом поле тела В. Цифрами обозначена последовательность витков тела А при движении, вокруг тела В по незамкнутой орбите С.
2. Природа прецессии и нутации на основе динамического равновесия
При условии динамического равновесия Земля является самогравитирующим телом с внутренним и внешним силовым полем, генерируемым массой при взаимодействии ее частиц. Дифференциация массы планеты на неоднородные по плотности асимметричные оболочки происходит под действием внутреннего силового поля. Его тангенциальная составляющая, связанная с неоднородностью оболочек, вызывает их вращение с различной угловой скоростью. При этом оболочки мантии А и внешнего ядра В могут иметь как прямое (рис. 2, а) так и разнонаправленное вращение (рис. 2,6). Судя по спутниковым и астрометрическим наблюдениям, внешнее ядро планеты имеет обратное вращение.
Рис.2. Схема вращения оболочек Земли под действием внутреннего силового поля: А - оболочки мантии; В - внешнее ядро; С - внутреннее ядро; Е - внешнее силовое поле; D - приведенная оболочка внутреннего силового поля.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 540а Внешнее силовое поле непрерывно изменяется из-за различия в скорости вращения масс оболочек, образующих силовое поле Земли. Оно определяет направление и угловую скорость орбитального движения естественного и искусственного спутников. Учитывая неоднородность и асимметрию масс вращающихся оболочек, изменение траектории движения тела сопровождается соответствующим изменением эксцентриситета орбиты. Его максимальное значение имеет место при совпадении максимальных неоднородностеи вращающихся масс, а минимальное достигается при их противоположном положении.
Следует заметить, что поскольку эффект попятного движения узлов орбиты Земли, Луны и ИСЗ оказывается общим явлением, то следует вывод об аналогичном характере строения Солнца, во внешнем силовом поле которого движется Земля. Очевидно и другие планеты и их спутники имеют ту же структуру строения и характер движения.
Таким образом, орбитальное движение Земли и попятное смещение узлов ее орбиты определяет динамика масс Солнца через свое силовое поле. Для Луны и ИСЗ эту роль выполняет Земля. Что касается нутационных движений оси вращения Земли и других тел, то их природа связана с теми же особенностями строения и движения собственных оболочек планеты, которые возмущают верхнюю асимметричную оболочку при каждом ее обороте вокруг оси. Масштаб этих движений значительно ниже и такие движения воспринимаются как качание оси внешней оболочки, движение которой наблюдают.
3. Природа обратного вращения оболочки внешнего ядра Земли
Возникает вопрос, почему внешнее ядро планеты может иметь обратное (по часовой стрелке) вращение? Как показано в работе [4], направление вращения оболочек тела определяет закон радиального распределения плотности массы тел (рис. 3).
Найдено, что в случае однородного распределения плотности массы (1) вся энергия взаимодействия масс реализуется в форме колебательных движений взаимодействующих частиц. При нарастании плотности от поверхности к центру (2) имеет место колебание и прямое вращение оболочек с различной угловой скоростью. При увеличении плотности массы к поверхности (3) происходит колебание и обратное вращение оболочек с разной
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 541а
Рис. 3. Зависимость направления вращения оболочек Земли от закона радиального распределения плотности массы. Здесьаа rm и rg приведенные радиусы инерции и гравитации.
угловой скоростью. Наконец, при параболическом законе распределения плотности (4), когда плотность тела сначала нарастает, а затем падает, имеет место разнонаправленное вращение оболочек. Верхние оболочки имеют прямое, а центральные - обратное вращение. Случай (4), очевидно, является характерным для самогравитирующих тел.
Отметим, что направление вращения в зависимости от радиального распределения плотности подчиняется известному в электродинамике правилу винта Ленца. Судя по наблюдаемому эффекту попятного движения узлов ИСЗ, гравитационная индукция внутреннего и внешнего силового поля Земли имеет общую природу с электромагнитной индукцией, что уже было отмечено ранее [4]. Именно случай (4) объясняет природу попятного движения линии узлов орбиты ИСЗ, связанного с изменением потенциала внешнего силового поля Земли по законам индукции. Непрерывно расходящиеся и сближающиеся асимметричные по массе оболочки мантии и внешнего ядра (рис. 2) есть первопричина прецессии, нутации и вариаций внутреннего и внешнего силового поля, которые фиксируются при исследовании орбит и поля с помощью ИСЗ.
Следует заметить, что возможные динамические эффекты предположительно жидкого ядра Земли, давно обсуждаются в геофизической литературе [2]. Теперь можно с большей уверенностью сказать, что внешнее ядро планеты находится в жидкой фазе и имеет прямое вращение, а идея о его железо-никелевом составе оказалась нереальной.
4. Природа вариаций потенциала силового поля.
Из вышеприведенного описания следует, что изменение потенциала внутреннего и внешнего силового поля в рамках рассматриваемого динамического подхода связано с неоднородным распределением плотности массы самогравитирующего тела. Разнонаправленное вращение внешних и центральных оболочек приводит к наблюдаемым эффектам прецессии, нутации и вариациям собственного силового поля.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 542а В небесной механике проблема наклона плоскостей орбит планет и спутников не обсуждается, а принимается как наблюдаемый факт. В теории динамического равновесия эта задача, включая проблему природы апоцентра и перицентра, объясняются эффектом разнонаправленного вращения асимметричных оболочек мантии и внешнего ядра самогравитирующего тела (см. рис. 2). В самом деле, при асимметричном распределении массы в оболочках Солнца потенциал его внешнего силового поля будет также асимметричным. Эта асимметрия определяет наклон орбиты Земли относительно плоскости вращения Солнца. Каждая точка орбиты отражает условие динамического равновесия взаимодействующих внешних силовых полей планеты и Солнца. Положение апоцентра и перицентра орбиты Земли указывает на положения максимальных и минимальных концентраций масс приведенной силовой оболочки Солнца. Поскольку асимметричные оболочки Солнца вращаются с различными угловыми скоростями, то амплитуда линии узлов будет уменьшаться при удалении аномалий масс оболочек или возрастать при их сближении. Эффект вариаций амплитуды линий узлов подтверждается наблюдениями. Следовательно, современный угол наклона эклиптики к плоскости вращения Солнца, равный ~715', выражает соотношение максимальной и минимальной концентрации плотности масс приведенной силовой оболочки Солнца. Аналогичный эффект отражает наклон плоскости орбиты Луны к плоскости вращения Земли.
6. Природа эффекта Чандлера движения полюсов Земли
Как уже отмечалось, изменения внутреннего силового поля планеты мы наблюдаем в форме нутаций или качания оси вращения. Сама ось вращения отражает динамику лишь внешней оболочки планеты, толщина которой по нашим оценкам составляет около 375 км. Поскольку Луна вращается вокруг Солнца, будучи в силовом поле Земли, последняя для поддержания динамического равновесия при движении по орбите испытывает соответствующие возмущения от своего естественного спутника. Таким максимальным возмущением в годовом временном масштабе очевидно является эффект Чандлера. При этом, лунным годовым циклом будет время земного года умноженное на отношение солнечного к лунному месяцу (в сутках). Тогда этот цикл составит 365(30,5/27) ~ 410 дн.
7. Изменение климата как эффект вращения оболочек Земли
Рассмотренный выше анализ динамических эффектов оболочек Земли основан в первую очередь на данных анализа орбит ИСЗ и измерений силового поля планеты.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 543а
т
200
300
500
600аа Т, тыс-ет
Рис. 4. Изотопный состав кислорода раковин моллюска Globigerinoides Sacculifera за период 0-730 000 лет [Emiliani, 1978].
Он получил картину колебаний климата в плейстоцене за 730 000 лет. Как видно, периоды климатических колебаний за это время составляли от 50 до 120 тыс. лет, что свидетельствует о вращении у Солнца более двух асимметричных по массе оболочек.
8. Заключение
В свое время известные немецкие механики Клейн и Зоммерфельд заметили, что механика Земли оказалась сложнее небесной механики и представляет "запутанные лабиринты геофизики". Для достижения прогресса в области геодинамики и возврата ее в лоно небесной механики предстоит преодолеть эффекты гидростатики.
Здесь мы не углублялись в описание физических и аналитических основ теории динамического равновесия Земли, поскольку они подробно изложены в работе [4].
итература
1.аа Jeffreys Н. The Earth. Its origin, history and physical constitution. 5th Ed. Cambridge:
Cambridge Univ. Press, 1970.
- Мельхиор П. Физика и динамика планет (перевод с франц.). М: Мир. 1976.
- Грушинский Н.П. Теория фигуры Земли. М.: Наука, 1976.
- Ферронский В.И., Ферронский СВ. Динамика Земли. М.: Научный мир. 2007.
- Emiliani С. The cause of the ice ages. Earth and Planet. Sci. Lett.,1978, v.37, p.349-352.
- Земля не является телом вращения, а ее масса имеет асимметричное распределение как относительно экваториальной, так и относительно полярной плоскости;
- Внешнее гравитационное и электромагнитное (силовое) поле северного и южного полушария Земли различаются и постоянно изменяются.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 537а Ферронский В.И. fferron@aqua.laser.ru) Институт водных проблем Российской академии наук
Считается, что прецессия оси вращения Земли происходит под действием момента сил притяжения Солнца и Луны, возникающего из-за избыточной массы в экваториальном поясе планеты, который образовался при ее сжатии. Этот дополнительный момент стремится уменьшить наклон экваториального пояса с избытком массы по отношению к эклиптике и вызывает попятное движение линии узлов. Кроме того, поскольку соотношение расстояний между взаимодействующими телами меняется, то изменяется и соотношение сил взаимодействия. Из-за этого вместе с прецессией появляются дополнительные движения в форме нутации или качания оси вращения.
Анализ орбит движения искусственных спутников вокруг Земли показывает, что, несмотря на отсутствие экваториального избытка массы и влияния силового поля Солнца и Луны, у ИСЗ наблюдается тот же эффект прецессии: плоскость орбиты вращается в направлении, обратном движению спутника с попятным перемещением линии узлов. Однако объяснение этому явлению дается иное. Находят, что попятное перемещение узлов орбиты спутника связано со сжатием Земли, в силовом поле которой происходит движение ИСЗ. При изменении угла наклона орбиты спутника к плоскости экватора планеты меняются амплитуда смещения линии узлов и направление движения линии апсид. Если же плоскость орбиты спутника проходит через полюса Земли, то движение линии узлов вовсе отсутствует. Все эти факты свидетельствуют о правомерности объяснения, связывающего прецессию ИСЗ с распределением масс в теле планеты. Если это так, тогда попятное движение узлов орбиты Луны логично объяснять также сжатием Земли, а попятное движение узлов орбиты самой планеты следует связывать со сжатием Солнца. Как видим, представление о природе прецессии Земли и Луны оказывается противоречивым и нуждается в уточнении с учетом спутниковых наблюдений.
Отметим, что в динамике Земли существуют и другие противоречия. Наряду с давней проблемой неравномерности вращения планеты и движения полюсов, а также эффектом движения полюсов Чандлера с периодом около 420 дней, по данным анализа орбит и гравитационного поля, полученным с помощью спутниковых исследований, было сделано ряд выводов, требующих разрешения. К ним относятся [1, 2, 3]:
1) Земля не находится в гидростатическом равновесии: сумма проекций ее внутренних сил на координатные оси и внутренних моментов относительно этих осей не равна нулю;
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 538а
Результаты спутниковых наблюдений свидетельствуют о том, что условия гидростатического равновесия и основанные на них модели для интерпретации наблюдаемых эффектов динамики Земли как твердого тела, вращающегося по инерции, не подтверждаются наблюдениями и требуют поиска новых подходов. В этой связи нами рассмотрена задача о динамике Земли как самогравитирующего тела на основах динамического равновесия. Здесь внутренние движения планеты происходят под действием собственного внутреннего силового поля, а взаимодействие с внешним миром осуществляется через ее внешнее силовое поле. Результаты этого исследования, изложенные в работе [4], позволяют дать трактовку природы наблюдаемым явлениям прецессии, нутации и вариаций потенциала силового поля планеты, отвечающую спутниковым данным.
1. Представление о прецессии тела в наблюдаемой форме
Виртуальное объяснение, даваемое прецессии Земли, Луны и ИСЗ в форме движения плоскости орбиты в направлении, обратном движению тела, очевидно, появилось в силу трудностей его объяснения в рамках гидростатического равновесия тела, принимавшегося как физическое условие рассматриваемой задачи. В самом деле, плоскость орбиты есть геометрическое место поверхности, очерчиваемое телом, и рассматривать ее перемещение без самого тела не имеет смысла. Представить наблюдаемое движение тела в пространстве в двух противоположных направлениях одновременно не составляет труда. В частности, реальная картина движения ИСЗ (а также Земли и Луны) с обратным (по часовой стрелке в северном полушарии) направлением перемещения плоскости орбиты и попятным движением линии узлов показана на рис. 1.
Здесь ИСЗ движется по незамкнутой орбите в непрерывно меняющемся силовом поле планеты. При этом пока спутник перемещается с ускорением по нисходящей ветви орбиты 1, потенциал силового поля изменяется таким образом, что в перицентре он выводит ИСЗ на восходящую ветвь орбиты 2. В этом случае восходящий узел делает шаг в попятном направлении, а эксцентриситет орбиты уменьшается на определенную величину. Аналогичным образом под действием постоянно меняющегося силового поля тело переходит на орбиту 3, 4, 5 и так далее. Теория динамического равновесия Земли [4] объясняет физику наблюдаемого явления следующим образом.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 539а |
Рис. 1. Реально наблюдаемая картина движения тела А в силовом поле тела В. Цифрами обозначена последовательность витков тела А при движении, вокруг тела В по незамкнутой орбите С.
2. Природа прецессии и нутации на основе динамического равновесия
При условии динамического равновесия Земля является самогравитирующим телом с внутренним и внешним силовым полем, генерируемым массой при взаимодействии ее частиц. Дифференциация массы планеты на неоднородные по плотности асимметричные оболочки происходит под действием внутреннего силового поля. Его тангенциальная составляющая, связанная с неоднородностью оболочек, вызывает их вращение с различной угловой скоростью. При этом оболочки мантии А и внешнего ядра В могут иметь как прямое (рис. 2, а) так и разнонаправленное вращение (рис. 2,6). Судя по спутниковым и астрометрическим наблюдениям, внешнее ядро планеты имеет обратное вращение.
Рис.2. Схема вращения оболочек Земли под действием внутреннего силового поля: А - оболочки мантии; В - внешнее ядро; С - внутреннее ядро; Е - внешнее силовое поле; D - приведенная оболочка внутреннего силового поля.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 540а Внешнее силовое поле непрерывно изменяется из-за различия в скорости вращения масс оболочек, образующих силовое поле Земли. Оно определяет направление и угловую скорость орбитального движения естественного и искусственного спутников. Учитывая неоднородность и асимметрию масс вращающихся оболочек, изменение траектории движения тела сопровождается соответствующим изменением эксцентриситета орбиты. Его максимальное значение имеет место при совпадении максимальных неоднородностеи вращающихся масс, а минимальное достигается при их противоположном положении.
Следует заметить, что поскольку эффект попятного движения узлов орбиты Земли, Луны и ИСЗ оказывается общим явлением, то следует вывод об аналогичном характере строения Солнца, во внешнем силовом поле которого движется Земля. Очевидно и другие планеты и их спутники имеют ту же структуру строения и характер движения.
Таким образом, орбитальное движение Земли и попятное смещение узлов ее орбиты определяет динамика масс Солнца через свое силовое поле. Для Луны и ИСЗ эту роль выполняет Земля. Что касается нутационных движений оси вращения Земли и других тел, то их природа связана с теми же особенностями строения и движения собственных оболочек планеты, которые возмущают верхнюю асимметричную оболочку при каждом ее обороте вокруг оси. Масштаб этих движений значительно ниже и такие движения воспринимаются как качание оси внешней оболочки, движение которой наблюдают.
3. Природа обратного вращения оболочки внешнего ядра Земли
Возникает вопрос, почему внешнее ядро планеты может иметь обратное (по часовой стрелке) вращение? Как показано в работе [4], направление вращения оболочек тела определяет закон радиального распределения плотности массы тел (рис. 3).
Найдено, что в случае однородного распределения плотности массы (1) вся энергия взаимодействия масс реализуется в форме колебательных движений взаимодействующих частиц. При нарастании плотности от поверхности к центру (2) имеет место колебание и прямое вращение оболочек с различной угловой скоростью. При увеличении плотности массы к поверхности (3) происходит колебание и обратное вращение оболочек с разной
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 541а
Рис. 3. Зависимость направления вращения оболочек Земли от закона радиального распределения плотности массы. Здесьаа rm и rg приведенные радиусы инерции и гравитации.
угловой скоростью. Наконец, при параболическом законе распределения плотности (4), когда плотность тела сначала нарастает, а затем падает, имеет место разнонаправленное вращение оболочек. Верхние оболочки имеют прямое, а центральные - обратное вращение. Случай (4), очевидно, является характерным для самогравитирующих тел.
Отметим, что направление вращения в зависимости от радиального распределения плотности подчиняется известному в электродинамике правилу винта Ленца. Судя по наблюдаемому эффекту попятного движения узлов ИСЗ, гравитационная индукция внутреннего и внешнего силового поля Земли имеет общую природу с электромагнитной индукцией, что уже было отмечено ранее [4]. Именно случай (4) объясняет природу попятного движения линии узлов орбиты ИСЗ, связанного с изменением потенциала внешнего силового поля Земли по законам индукции. Непрерывно расходящиеся и сближающиеся асимметричные по массе оболочки мантии и внешнего ядра (рис. 2) есть первопричина прецессии, нутации и вариаций внутреннего и внешнего силового поля, которые фиксируются при исследовании орбит и поля с помощью ИСЗ.
Следует заметить, что возможные динамические эффекты предположительно жидкого ядра Земли, давно обсуждаются в геофизической литературе [2]. Теперь можно с большей уверенностью сказать, что внешнее ядро планеты находится в жидкой фазе и имеет прямое вращение, а идея о его железо-никелевом составе оказалась нереальной.
4. Природа вариаций потенциала силового поля.
Из вышеприведенного описания следует, что изменение потенциала внутреннего и внешнего силового поля в рамках рассматриваемого динамического подхода связано с неоднородным распределением плотности массы самогравитирующего тела. Разнонаправленное вращение внешних и центральных оболочек приводит к наблюдаемым эффектам прецессии, нутации и вариациям собственного силового поля.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 542а В небесной механике проблема наклона плоскостей орбит планет и спутников не обсуждается, а принимается как наблюдаемый факт. В теории динамического равновесия эта задача, включая проблему природы апоцентра и перицентра, объясняются эффектом разнонаправленного вращения асимметричных оболочек мантии и внешнего ядра самогравитирующего тела (см. рис. 2). В самом деле, при асимметричном распределении массы в оболочках Солнца потенциал его внешнего силового поля будет также асимметричным. Эта асимметрия определяет наклон орбиты Земли относительно плоскости вращения Солнца. Каждая точка орбиты отражает условие динамического равновесия взаимодействующих внешних силовых полей планеты и Солнца. Положение апоцентра и перицентра орбиты Земли указывает на положения максимальных и минимальных концентраций масс приведенной силовой оболочки Солнца. Поскольку асимметричные оболочки Солнца вращаются с различными угловыми скоростями, то амплитуда линии узлов будет уменьшаться при удалении аномалий масс оболочек или возрастать при их сближении. Эффект вариаций амплитуды линий узлов подтверждается наблюдениями. Следовательно, современный угол наклона эклиптики к плоскости вращения Солнца, равный ~715', выражает соотношение максимальной и минимальной концентрации плотности масс приведенной силовой оболочки Солнца. Аналогичный эффект отражает наклон плоскости орбиты Луны к плоскости вращения Земли.
6. Природа эффекта Чандлера движения полюсов Земли
Как уже отмечалось, изменения внутреннего силового поля планеты мы наблюдаем в форме нутаций или качания оси вращения. Сама ось вращения отражает динамику лишь внешней оболочки планеты, толщина которой по нашим оценкам составляет около 375 км. Поскольку Луна вращается вокруг Солнца, будучи в силовом поле Земли, последняя для поддержания динамического равновесия при движении по орбите испытывает соответствующие возмущения от своего естественного спутника. Таким максимальным возмущением в годовом временном масштабе очевидно является эффект Чандлера. При этом, лунным годовым циклом будет время земного года умноженное на отношение солнечного к лунному месяцу (в сутках). Тогда этот цикл составит 365(30,5/27) ~ 410 дн.
7. Изменение климата как эффект вращения оболочек Земли
Рассмотренный выше анализ динамических эффектов оболочек Земли основан в первую очередь на данных анализа орбит ИСЗ и измерений силового поля планеты.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 543а
т
200
300
500
600аа Т, тыс-ет
Рис. 4. Изотопный состав кислорода раковин моллюска Globigerinoides Sacculifera за период 0-730 000 лет [Emiliani, 1978].
Он получил картину колебаний климата в плейстоцене за 730 000 лет. Как видно, периоды климатических колебаний за это время составляли от 50 до 120 тыс. лет, что свидетельствует о вращении у Солнца более двух асимметричных по массе оболочек.
8. Заключение
В свое время известные немецкие механики Клейн и Зоммерфельд заметили, что механика Земли оказалась сложнее небесной механики и представляет "запутанные лабиринты геофизики". Для достижения прогресса в области геодинамики и возврата ее в лоно небесной механики предстоит преодолеть эффекты гидростатики.
Здесь мы не углублялись в описание физических и аналитических основ теории динамического равновесия Земли, поскольку они подробно изложены в работе [4].
итература
1.аа Jeffreys Н. The Earth. Its origin, history and physical constitution. 5th Ed. Cambridge:
Cambridge Univ. Press, 1970.
- Мельхиор П. Физика и динамика планет (перевод с франц.). М: Мир. 1976.
- Грушинский Н.П. Теория фигуры Земли. М.: Наука, 1976.
- Ферронский В.И., Ферронский СВ. Динамика Земли. М.: Научный мир. 2007.
- Emiliani С. The cause of the ice ages. Earth and Planet. Sci. Lett.,1978, v.37, p.349-352.
Все научные статьи