Výzkumy v ASU AV ČR (90): Nové určení periody pohybu zemského pólu

Zemi je možné považovat za volný setrvačník a také se na ni vztahují příslušné rovnice. Působením vnějších vlivů se může poloha rotační osy takového setrvačníku v prostoru měnit. Naše planeta také není ideálně tuhá, některé její vrstvy se dokonce zcela běžně přesunují na velké vzdálenosti. Řeč je o atmosféře a oceánech. Svůj vliv má i plasticita nitra Země. V důsledku tohoto se může měnit poloha rotační osy v rámci zemského tělesa. Přesuny hmot lokálně přenášejí moment hybnosti, celkový moment hybnosti se však musí zachovávat.

Pohyb zemského pólu byl poprvé předpovězen již v 18. století Eulerem. O více než sto let později Seth Chandler objevil, že tento pohyb je cyklický s dvěma hlavními periodami kolem 430 a 365 dnů. Hlavní perioda se označuje jako Chandlerova. Od roku 1899 je pohyb pólu velmi přesně monitorován, nejprve optickou astrometrií, posléze pak technikami kosmické geodézie. 

A aby toho nebylo málo, má naše Země ještě navíc magnetické pole, jež je zakořeněno v jejích hlubinách a toto magnetické pole se mění vnějšími vlivy, zejména působením Slunce. Některé události, označují se jako geomagnetické záškuby, se pak projevují vlivem na moment hybnosti. Přesná fyzikální vazba mezi geomagnetosférou a polohou pólu však není dobře vysvětlena. 

Mnoho studií se zabývalo stanovením hodnoty Chandlerovy periody i jejím Q-faktorem, který úzce souvisí s tlumením po excitaci. Fyzikální představa v pozadí je taková, že změna polohy zemské osy v zemském tělese je odezvou na vnější vybuzení (excitaci), které, pokud se pravidelně opakuje, povede k cyklickému chování. Q-faktor pak určuje, jak dlouho působí vliv této excitace. 

Různé studie docházely k různým výsledkům, jež se dokonce v rámci chybových intervalů tu a tam rozcházely. Nejčastěji se používají dvě třídy metod – metody přímé, „přímo“ porovnávající řadu geofyzikálních excitací s časovou změnou polohy pólu, a metody nepřímé, spočívající v integraci fyzikálních rovnic popisujících excitace a jejich porovnání s polohou pólu. 

Jan Vondrák a Cyril Ron z ASU šli cestou nepřímé metody, když integrovali rovnice popisující vliv geofyzikálních (atmosférických a oceánských) excitací, jejichž časový vývoj převzali z modelu ERA, a to v rozsahu let 1974 až 2014. Zcela nově však do modelu zahrnuli i devět geomagnetických záškubů, k nimž v tomto období došlo. Zatímco vlivy atmosféry a oceánu jsou téměř periodické, geomagnetické záškuby jsou zcela nepravidelné a způsobují tak náhlé skokové posuny polohy pólu. Úlohu autoři řešili numericky. 

Porovnání s reálnou pozicí pólu zemské rotační osy pak dává informaci o kvalitě popisu prostřednictvím rovnic modelu. Autoři ukazují, že kvalita fitu skutečné pozice zemského pólu je výrazně vyšší, pokud jsou v rovnicích ponechány členy obsahující zmíněné geomagnetické záškuby. Určená hodnota Chandlerovy periody pro studované období je 432,86±0,04 dne. Současně klesá hodnota Q-faktoru, což v praxi znamená, že vliv každého vnějšího „štouchu“, ať už od přesunů hmot nebo od geomagnetických záškubů, ze ztrácí rychleji, než se doposud myslelo. Hodnota Q-faktoru činí 35,0±0,3 oproti 83±1, pokud jsou záškuby ignorovány. 

Práce tedy ukazuje důležitost vlivu geomagnetického pole na polohu rotační osy Země. Jan Vondrák a kolegové ukazují, že amplituda změn vyvolaných nepravidelně se vyskytujícími geomagnetickými záškuby je srovnatelná s amplitudou vyvolanou přesuny hmot v atmosféře nebo hydrosféře a není ji tedy možné zanedbat. 

REFERENCE

Vondrák, J., Ron, C. a Chapanov, Y., New determination of period and quality factor of Chandler wobble, considering geophysical excitations, Advances in Space Research 59 (2017) 1395-1407

KONTAKT

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

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

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