Výzkumy v AsÚ AV ČR (22): Vliv atmosféry a oceánů na polohu rotační osy Země

06.12.2014 11:20


Střídání dne a noci na Zemi je způsobeno víceméně pravidelným otáčením planety kolem její osy. Poloha zemské rotační osy je v kosmickém prostoru na první pohled stálá, míří do směru, kde se nachází na hvězdné obloze Polárka – také proto se na Zemi střídají roční období. Avšak při bližším výzkumu je zřejmé, že tato stálost je více než iluzorní. Zemská rotační osa ve skutečnosti vykonává mnoho pohybů, které jsou cílem výzkumu Jan Vondráka z AsÚ a jeho kolegů. Jejich poslední práce ukazuje, že na okamžitou polohu zemské osy mají vliv, kromě pohybů a změn v atmosféře a oceánech, také tzv. geomagnetické záškuby.

K dalším známým pohybům, kterým zemská osa podléhá, patří precese. Precese je především důsledkem vlivu gravitačního pole Měsíce a částečně též Slunce na Zemi otáčející se podél skloněné osy. Díky sklonu působí na zemské těleso dvojice sil, které dají osu do pomalého pohybu po plášti kužele. Takové chování znají již malé děti – roztočí-li „káču“, i její rotační osa začne precedovat v případě, že poloha rotační osy vůči podložce není přesně kolmá. Na Zemi má precesní pohyb periodu asi 26 000 let.

Zemská osa však podléhá i dalším pohybů. Ty kvaziperiodické (hlavními původci jsou Měsíc, Slunce a také ostatní planety) se označují souhrnným názvem nutace. Mnohé jsou pouhým důsledkem zákona zachování momentu hybnosti, který platí pro vázané soustavy. Na Zemi vyvolávají větry nebo přesuny hmot v atmosféře i oceánech změny momentu hybnosti těchto obalů. Ty se nutně odrazí ve změně momentu hybnosti rotující planety tak, aby byl celkový moment hybnosti zachován.

V dnešní době jsou k dispozici modely popisující přesun vzdušných i oceánských hmot i změny tlaku s dostatečným časovým rozlišením – po šesti hodinách. Tyto modely jsou dílem agentur financovaných z veřejných rozpočtů. Jeden model poskytuje americké Národní centrum atmosférického výzkumu (NCAR -- National Center for Atmospheric Research), další dva modely pak Evropské centrum pro střednědobé předpovědi počasí (ECMWF -- European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). Tyto modely se však vzájemně liší a cílem Jana Vondráka a Cyrila Rona bylo jejich porovnání z hlediska dopadů na měřené pohyby zemské osy.

Poloha zemské osy je dlouhodobě sledována vůči referenčnímu systému vzdálených pulsarů, a to pomocí rádiové interferometrie na dlouhé základně. I změny pozice rotační osy jsou modelovány se zahrnutím všech důležitých procesů (modely IAU 2000 pro nutaci a IAU 2006 pro precesi), avšak měřená poloha rotačního pólu se od té modelové systematicky liší. Rozkmit těchto odchylek má amplitudu menší nežli půl úhlové milivteřiny, což v lineární míře znamená asi 1,5 cm na zemském povrchu. Za tyto změny by mohla být odpovědná právě atmosféra a světový oceán.

J. Vondrák a C. Ron tedy porovnávali měřené odchylky polohy nebeského pólu od jeho modelu (měření filtrovali tak, že připustili pouze pohyby s periodami 60 až 6000 dní, kratší periody mají charakter šumu a delší periody byly naopak mimo oblast jejich zájmu) s předpovědí excitačních členů spojených s atmosférickými a oceánickými modely, které zahrnují jak přesuny hmot, tak mapy proudění (větrů).

Nejprve porovnali frekvenční spektra jednotlivých datových řad a dospěli k závěru, že jednotlivé nalezené periody v modelech excitačních členů jsou v dobrém souladu s periodami odhalenými v odchylkách nebeského rotačního pólu. Dominantní frekvencí je 430 dní retrográdního pohybu (tedy proti směru rotace), který zřejmě souvisí s tzv. volnou nutací zemského jádra. Již pohled na frekvenční spektra jednotlivých modelů však odhalil, že dva evropské modely mají mnohem větší amplitudy jednotlivých frekvencí, a to jak v porovnání s reálnými měřeními odchylek nebeského pólu, tak v porovnání s americkým modelem.

Tento dojem byl ještě zdůrazněn, když se autoři rozhodli porovnat obě datové řady přímo, tedy integrací rovnice popisující pohyb pólu v reakci na excitační členy. Kromě již zmíněných problému s amplitudami evropských modelů však narazili na další obtíž – na geomagnetické záškuby (angl. geomagnetic jerk). Jde o náhlé změny magnetického pole Země, o nichž se vědci domnívají, že jsou nejspíše důsledkem náhlých změn v charakteru konvektivního proudění v tekutém vnějším jádře Země. I když jsou geomagnetické záškuby stále předmětem aktivního výzkumu, vzhledem k popsanému se tento jev projevuje i na okamžité pozici zemské rotační osy. Ukazuje se, že pro numerické integrace jsou tyto události zásadní.

J. Vondrák a C. Ron tedy vždy v okamžiku geomagnetického záškubu, které jsou známy z literatury, integraci rovnice přerušili a v epochách 100 dní po záškubu začali znovu, s novými počátečními podmínami. Shoda mezi integrovaným modelem a reálnými pozorováními se tak výrazně zlepšila. Stále však platí, že americký model dává shodu lepší než modely evropské.

 

Reference: Vondrák., J. a Ron, C., Geophysical excitation of nutation – Comparison of different models, Acta Geodyn. Geomater. 11/3 (2014) 193-200

http://www.irsm.cas.cz/materialy/acta_content/2014_doi/Vondrak_AGG_2014_0007.pdf

Kontakt: Ing. Jan Vondrák, DrSc., dr. h. c., vondrak@ig.cas.cz

Převzato z webu Astronomického ústavu AV ČR.