Výzkumy v ASU AV ČR (185): Geomagnetické záškuby hrají důležitou roli v buzení volné nutace zemského jádra

Tak zvané precesně-nutační pohyby zemské osy jsou takové, které jsou vyvolány gravitačním působením okolních těles. Z podstaty věci lze tyto vlivy velmi dobře předpovědět na dlouhých časových škálách, neboť závisí jen na znalosti poloh těles ve Sluneční soustavě. A ty jsou známy s velmi dobrou přesností. Další skupiny pohybů se označují jako volná nutace jádra, která je důsledkem skutečnosti, že Země není pevné a neměnné těleso. Jednotlivé vnitřní vrstvy zemského tělesa se vůči sobě mohou pohybovat, svoji roli hrají i přesuny hmot ve vodním a vzdušném obalu. Ve všech případech jde o přesuny momentu hybnosti, které mohou vést ke změně pohybového stavu zemského tělesa nebo jejich částí, a to tak, aby se celkový moment hybnosti zachovával, jak velí fyzikální zákony.

A aby toho nebylo málo, má naše Země ještě navíc magnetické pole, které je zakořeněno v jejích hlubinách. Toto magnetické pole reaguje na vnější vlivy, zejména působení Slunce. Náhlé změny intensity geomagnetického pole (označují se jako geomagnetic jerks - geomagnetické záškuby) se projevují vlivem na moment hybnosti. Přesná fyzikální vazba mezi geomagnetosférou a polohou pólu však není doposud dobře vysvětlena.

Popis časového vývoje volné nutace jádra je složitější, což znesnadňuje i její předpověď. Přitom znalost polohy nebeského pólu, do níž vstupují jak precesně-nutační pohyby, tak i volná nutace jádra, je důležitá při přepočtu souřadnic nebeských objektů mezi pozemským a nebeským referenčním systémem. I drobné nepřesnosti ve znalosti pozice rotační osy Země vůči tomuto systému se tedy projeví v nepřesných souřadnicích objektů při pohledu ze Země. Pro některé astrofyzikální aplikace již tento rozdíl může být klíčový, neboť přesnost určování pozic těles na obloze se stále zlepšuje.

Jan Vondrák a Cyril Ron z Oddělení galaxií a planetárních systémů se popisu vývoje souřadnicových systémů zabývají již několik dekád. Zásadním způsobem se podílejí na vzniku oficiálně používaných výpočetních modelů, které vstupují do astrofyzikálních ale i praktických aplikací. Není proto divu, že své výpočty neustále konfrontují se stále narůstajícími měřeními pozice nebeského pólu a studují tak použitelnost používaných popisů.

Pohyb zemské rotační osy se matematicky modeluje řadou periodických členů, které jsou důsledkem opakujícího se silového působení Měsíce, Slunce a planet. Pro matematický model je třeba pro každý člen určit délku jeho periody a amplitudu. Změna polohy zemské osy v prostoru je také ovlivněna vnějším vybuzením (excitací) geofyzikálního původu, které, pokud se pravidelně opakuje, vede k cyklickému chování. Největší neznámou je právě popis a předpověď volné nutace zemského jádra, charakterizované jejími parametry (hodnotou její periody a tzv. Q-faktoru, který charakterizuje rychlost tlumení amplitudy volného pohybu za předpokladu, že není dále excitován).  

V představované práci otestovali autoři model volné nutace jádra s využitím několika dostupných nezávislých datových řad měřících polohu nebeského pólu a sledovali, jak dobře matematický model reprezentuje jednotlivé datové řady, pokud v modelu „vypínají“ jednotlivé zdroje excitace (atmosféra, oceány, náhlé změny geomagnetického pole), považované za důležité pro buzení volné nutace jádra.

Kombinace různých pozorovacích řad a zdrojů excitace vedly k 46 modelům, jejichž spolehlivost bylo možné testovat statistickými metodami. Z výsledků vyplývá, že pokud se vezme v úvahu stejný excitační model, určené parametry modelu jsou v rámci intervalů nejistot shodné bez ohledu na pozorovací řadu, která je k jejich určení použita. To naznačuje solidní robustnost matematického aparátu, který za určováním modelových parametrů stojí.

Existující modely excitace způsobené přesuny mas v hydrosféře a atmosféře nejsou vzájemně konzistentní a jejich použití mění určené parametry modelu významně. Je ale nesmírně zajímavé, že nejlepší shody s pozorovacími daty bylo v testech dosaženo, pokud byly oceánské a atmosférické excitace vynechány, ale uvažovaly se pouze geomagnetické záškuby. Přitom odhadované amplitudy obou jevů jsou srovnatelné. Z analýzy tak nepřímo vyplývá, že geomagnetické záškuby způsobené nedobře popsanou vazbou geomagnetického pole a vnitřních vrstev zemského tělesa, jsou pro ovlivnění volné nutace zemského jádra důležitější, než dění v hydrosféře a atmosféře.

REFERENCE

J. Vondrák, J. a C. Ron, Period and Q-factor of free core nutation, based on different geophysical excitations and VLBI solutions, Acta Geodynamica et Geomaterialia 198 (2020) 207-215.

KONTAKT

Ing. Jan Vondrák, DrSc., dr. h. c.
jan.vondrak@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.