6.10. Прецессионное и нутационное движение земной оси

Если бы Земля имела форму шара, однородного или состоящего из сферических слоев равной плотности, и являлась бы абсолютно твердым телом, то согласно законам механики направление оси вращения Земли и период ее вращения оставались бы постоянными на протяжении любого промежутка времени.

Однако Земля не имеет точной сферической формы, а близка к сфероиду. Притяжение же сфероида каким-либо материальным телом L (рис. 51) складывается из притяжения F шара, выделенного внутри сфероида (эта сила приложена к центру сфероида), притяжения F₁ближайшей к телу L половины экваториального выступа и притяжения F₂другой, более далекой, половины экваториального выступа. Сила F₁больше силы F₂и поэтому притяжение тела L стремится повернуть ось вращения сфероида Р_NР_Sтак, чтобы плоскость экватора сфероида совпала с направлением TL (на рис. 51 против часовой стрелки). Из механики известно, что ось вращения P_NP_Sв этом случае будет перемещаться в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат силы F₁и F₂.

На экваториальные выступы сфероидальной Земли действуют силы притяжения от Луны и от Солнца. В результате ось вращения Земли совершает очень сложное движение в пространстве.

Прежде всего, она медленно описывает вокруг оси эклиптики конус, оставаясь все время наклоненной к плоскости движения Земли под углом около 66° 33' (рис. 52). Это движение земной оси называется прецессионным, период его около 26 000 лет. Вследствие прецессии земной оси полюсы мира за тот же период описывают вокруг полюсов эклиптики малые круги радиусом около 23°27'. Прецессия, вызываемая действием Солнца и Луны, называется лунно-солнечной прецессией.

Кроме того, ось вращения Земли совершает различные мелкие колебания около своего среднего положения, которые называются нутациейземной оси. Нутационные колебания возникают потому, что прецессионные силы Солнца и Луны (силы F₁и F₂) непрерывно меняют свою величину и направление; они равны нулю, когда Солнце и Луна находятся в плоскости экватора Земли и достигают максимума при наибольшем удалении от него этих светил.

Самое главное нутационное колебание земной оси имеет период в 18,6 года, равный периоду обращения лунных узлов (см. § 76). Вследствие этого движения земной оси полюсы мира описывают на небесной сфере эллипсы, большие оси которых равны 18”,42, а малые — 13'', 72.

6.11. Неравномерность вращения Земли. Эфемеридное время. Атомное время

В результате многочисленных исследований было установлено, что угловая скорость вращения Земли непостоянна, т.е. вращение Земли неравномерно.

Изменения скорости вращения Земли делятся на три типа: вековые, нерегулярные (скачкообразные) и периодические, или сезонные.

Неравномерность вращения Земли векового и нерегулярного характера проявляется в расхождениях наблюдаемых положений Луны и близких к Земле планет (Меркурий, Венера) с вычисленными (эфемеридными) положениями этих тел. Еще в середине XIX в. в наблюдаемом движении Луны были обнаружены отклонения от вычисленного движения, не объяснимые теорией тяготения. Вследствие неравномерного вращения Земли средние сутки, оказываются величиной непостоянной. Поэтому в астрономии пользуются двумя системами счета времени: неравномерным временем, которое получается из наблюдений и определяется действительным вращением Земли, и равномерным временем, которое является аргументом при вычислении эфемерид планет и определяется по движению Луны и планет. Равномерное время называется ньютоновским или эфемериднымвременем.

Начиная с 1960 г., в астрономических ежегодниках эфемериды Солнца, Луны, планет и их спутников даются в системе эфемеридного времени. Чтобы вычислить положения этих небесных тел в системе всемирного (неравномерного) времени, необходимо знать разность T между эфемеридным временем Т_Еи всемирным Т₀. Точное значение разностиT может быть получено лишь для прошедших моментов времени, из сравнения наблюденных координат Луны с ее вычисленными координатами. Поэтому в астрономических ежегодниках публикуется экстраполированное значениеT на данный год.

Разность T была равна нулю около 1900 г. Но так как скорость вращения Земли в XX в. в среднем уменьшалась, т.е. наблюденные сутки были длиннее равномерных (эфемеридных) суток, то эфемеридное время за протекшие 75 лет “ушло” вперед относительно всемирного времени на 46s, а для 1978 г. принятоT = Т_Е— T₀= + 47s.

В связи с использованием системы эфемеридного времени в астрономии и физике введено новое определение производной единицы времени — секунды. Раньше она определялась как доля средних солнечных суток. В октябре 1956 г. Международное Бюро мер и весов постановило: “секунда есть доля тропического года”, продолжительность которого, в системе эфемеридного времени, в 1900 г. равнялась 365,2421988 средних солнечных суток. (Число 31 566 925,9747 = 365,2421988 × 86 400 — есть число секунд в этом тропическом году.) Секунда в таком определении получила название эфемеридной.

Таким образом, новое определение секунды учитывает непостоянство средних солнечных суток.

Создание атомных и молекулярных эталонов частоты позволило впервые получить принципиально новую, не зависящую от вращения Земли шкалу времени.

В 1967 г. была установлена система атомного времени — TUA, единицей которого является атомная секунда, определяемая как продолжительность 9 192 631 770 колебаний излучения, соответствующего резонансной частоте перехода между двумя. сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Атомное время TUA вычисляется Международным Бюро времени на основе регулярного сравнения атомных эталонов отдельных обсерваторий. Результаты нескольких лет исследовании и сравнений между собой атомных эталонов показали, что шкала времени, задаваемая ими, чрезвычайно стабильна и легко воспроизводима — продолжительность атомной секунды на разных обсерваториях отличалась не более, чем на 1 ×10^-10.