научная статья по теме АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МНОГОЧАСТОТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КОЛЕБАНИЯ ПОЛЮСА ЗЕМЛИ Астрономия

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МНОГОЧАСТОТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КОЛЕБАНИЯ ПОЛЮСА ЗЕМЛИ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 84, № 5, с. 471-478

УДК 521.93

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МНОГОЧАСТОТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КОЛЕБАНИЯ ПОЛЮСА ЗЕМЛИ

© 2007 г. Л. Д. Акуленко1, С. А. Кумакшев1, Ю.Г.Марков2, Л. В. Рыхлова3

1 Институт проблем механики, Москва, Россия 2Московский авиационный институт, Москва, Россия

3Институт астрономии, Москва, Россия Поступила в редакцию 10.08.2006 г.; после доработки 12.10.2006 г.

На основе данных измерений параметров вращения Земли методом наименьших квадратов построена интерполяция и дан прогноз движения полюса с помощью основной математической модели, включающей две частоты: чандлеровскую и годичную. Рассмотрена модель, учитывающая колебания, вызванные лунным воздействием. На периоде биений установлено проявление высокочастотных лунных колебаний и возможность их интерполирования на коротком интервале времени. Проведен сравнительный анализ моделей, учитывающих месячную и двухнедельную частоты. Построена рациональная модель для объяснения аномальных явлений в процессе биений с 6-летним периодом.

РАС Б: 95.10.Jk

1. ВВЕДЕНИЕ

Важное значение имеет исследование фундаментальной астрометрической проблемы высокоточной интерполяции и прогноза траектории движения полюса Земли [1—3]. Задача заключается в построении адекватной теоретической модели сложного многочастотного колебательного процесса на основе учета небесно-механических и геофизических факторов. Ее решение имеет важные технические приложения. Разрабатываемые инновационные технологии должны быть ориентированы на существенное повышение точностных характеристик отечественной глобальной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС) [4] и на массовое ее применение при решении прикладных задач в областях навигации, геодезии и геофизики [1—4]. В связи с этим актуальным является вопрос о достижении высокой точности координатно-временного обеспечения этой системы.

Возникающие научные задачи, как известно, непосредственно связаны с фундаментальной аст-рометрической проблемой вращения Земли вокруг центра масс. Одной из основных задач является исследование колебаний полюса и их прогноз [1 — 8]. Анализ траектории полюса и прогноз его движения представляют существенный интерес в естественнонаучном и прикладном аспектах. Построение высокоточной теоретической модели колебательного процесса для вектора угловой скорости на основе данных ГЛОНАСС и Международной

службы вращения Земли (МСВЗ) и надежный прогноз движения весьма важны при решении современных задач геодинамики, океанологии, метеорологии и т.п.

Ранее [5—7] авторами построены 5- и 6-параметрические модели "первого приближения", учитывающие чандлеровскую и годичную компоненту колебаний, а также общий тренд. Ниже проводится анализ более полной (расширенной) теоретической модели колебаний полюса Земли, частично учитывающий воздействия с более высокими частотами. К ним относятся лунные, полугодичные и, возможно, комбинационные гармоники гравитационно-приливных сил [1—3, 5—8].

Обобщение основной модели колебаний полюса [5, 6] осуществляется с помощью небесно-механических подходов и методов теории колебаний. При этом существенное внимание уделяется механической постановке задачи. С учетом анализа спектральной плотности мощности (СПМ) временных рядов МСВЗ [1, 3, 5—7] проводится идентификация параметров модели методом наименьших квадратов [9].

На основе гравитационно-приливного механизма воздействий на чандлеровскую компоненту даны анализ и качественное объяснение наблюдаемых аномалий колебаний полюса на периоде биений (конец 1999 г.—первая половина 2000 г. и вторая половина 2005 г.-2006 г.).

2. ОСНОВНАЯ МОДЕЛЬ КОЛЕБАНИИ ПОЛЮСА ЗЕМЛИ

Создание математических моделей вращатель-но-колебательного движения деформируемой Земли, которые с высокой точностью идентифицируют ее параметры вращения посредством данных измерений МСВЗ и дают надежный прогноз движения полюса, является основополагающим при исследовании ряда астрометрических, геодинамических и навигационных задач. Оно осуществляется на основе поиска компромисса между основными элементами колебаний полюса при построении теоретической модели, т.е. между сложностью модели и точностью измерений. При этом проводятся тщательный анализ состава базовых функций и их числа и настройка параметров. Оцениваются длительности интервалов интерполяции (числа измерений) и прогноза. Обоснование модели связано с выполнением массовых трудоемких численных экспериментов с помощью метода наименьших квадратов и спектрального анализа.

Математическая модель должна быть в какой -то степени сбалансирована в зависимости от постановки задачи. Усложнение модели Земли и детальный учет геофизических характеристик, в частности, многослойности внутреннего строения, не является оправданным на этапе построения модели первого приближения. Определение требуемых геодинамических и физических параметров планеты посредством статистической обработки косвенных данных измерений не может быть проведено с требуемой точностью и полнотой. Это обстоятельство может ухудшить процесс интерполяции и прогноза при неадекватном выборе числа и вида опорных функций. На основе измерений колебаний полюса могут быть установлены геодинамические характеристики и процессы, которые не удается установить посредством традиционных геофизических подходов.

Адекватная астрометрическим данным теоретическая модель, построенная в [5, 6], содержит небольшое число неизвестных стабильных параметров (малопараметрическая модель), подверженных малым вариациям вследствие нестационарности возмущающих факторов. Эти факторы могут быть выделены и учтены на коротких интервалах времени [7].

По данным МСВЗ за последние 15—20 лет в сложном движении полюса с высокой точностью выделяются следующие основные составляющие: чандлеровское колебание (свободная нутация), амплитуда которого достигает величин 0.20" —0.25", а период 433 ± 2 зв. сут, годичное колебание с амплитудой ^0.07"—0.08" и периодом, равным одному году (365.25 зв. сут). Принципиальное значение для построения математической модели движения

полюса Земли на больших промежутках времени (^50 лет и более) имеет тренд полюса Земли (~0.5" по направлению 90° на запад от Гринвича). Оптимальные значения этих параметров находятся с помощью метода наименьших квадратов [8] на основе статистической обработки астрометрических данных высокоточных измерений угловых параметров движения Земли [1]. В результате удалось достичь высокой точности интерполяции колебательного процесса полюса на интервалах времени 8—15 лет [5] и построить удовлетворительный прогноз на интервале около 2 лет (рис. 1, 2).

Упрощенные дифференциальные уравнения движения полюса Земли получаются из классических динамических уравнений Эйлера—Лиувилля и имеют вид [3, 5, 6]

p' + Npq + app = Mp, (1)

q' — Nqp + aqq = Mq, в = uqí.

Здесь p, q — проекции вектора мгновенной угловой скорости вращения Земли на связанные оси, штрих означает производную по аргументу в, ap,q & а — коэффициент суммарной диссипации, Np,q & N — чандлеровская частота, Mp,q — основные возмущающие гравитационно-приливные моменты сил, вызывающие нутационные колебания полюса. Определение Np,q и Mp,q представляет основную и значительную трудность при построении модели. Начальные значения p(0), q(0) находятся измерениями при t = 0.

Введем переменные х(т) = p(t), у(т) = q(t), где т = t/Th — время, измеряемое в годах; в = 2пт. Приведем выражения координат полюса для модели первого приближения с учетом коэффициентов тренда cx,y, чандлеровской ax,y и годичной dx,y компонент [5, 6]:

х(т) = сх(т) — acx cos 2пNт + asx sin 2пNт — (2)

— Ndcx cos 2пт — dsx sin 2пт,

у(т) = cy(т) + acy cos 2пNт + asy sin 2пNт —

— Ndcy cos 2пт + dy sin 2пт,

N = 0.845 — 0.850.

Численное значение чандлеровской частоты выбирается на основе дисперсионного анализа. Неиз-

c,s c,s

вестные cx,y, ax,y, dx,y вычисляются с помощью метода наименьших квадратов по ежесуточным данным измерений МСВЗ [1]. При определении этих коэффициентов следует иметь в виду равен-

c s s c c s s c

ства ax

& ay , dx & dy , являющиеся структурным свойством модели. Это также указывает на взаимосвязанность процессов х и у, что следует учитывать при статистической обработке данных измерений. Число обрабатываемых измерений порядка 103—104.

х

Рис. 1. 8-летняя интерполяция колебаний полюса Земли на интервале 1996—2003 гг. и 2-летний прогноз на 2004—2005 гг. Приведены данные измерений для определения точности модели. Наблюдаются аномальные явления в движении на рубеже 2000 и 2006 гг.

Введенные параметры могут в пределах достаточно длительного интервала 0 < т < в (например, в ~ 8—15 лет) подвергаться коррекции вида сху = = сХ у + сХут + ... и аналогичного вида для аХУ, ЛХ'У [5]. Для улучшения интерполяции процесса колебаний вековые члены должны учитывать медленную эволюцию основных параметров системы. Такая модель использовалась выше (рис. 1, 2), и она привела к удовлетворительным результатам.

На рис. 2 приводятся новые результаты интерполяции посредством ежесуточных измерений с начала 2001 г. до конца 2005 г. и прогноз на два года: 2006 и 2007 гг.

Наряду с основными характерными свойствами колебательного процесса представляет интерес учет и анализ мелкомасштабных высокочастотных колебаний на более коротких интервалах времени [7], а также объяснение его нерегулярностей и аномалий в процессе биений.

3. РАСШИРЕННАЯ МОДЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ ПОЛЮСА ЗЕМЛИ

На базе полученной ранее 6(5)-параметрической основной модели [5, 6] проводится ее уточнение посредством учета внешних воздействий с

более высокими частотами — это лунные, полугодичные и, возможно, комбинационные гармоники гравитационно-приливных сил. Обобщение модели осуществляется на основе небесно-механических подходов с учетом спектрального анализа временных рядов МСВЗ; идентификация параметров модели проводится методом наименьших квадратов.

Ранее в [5, 6] при построении математических моделей движения полюса Земли с целью получения долгосрочного (2—3 года) прогноза моменты сил гравитации от Луны с месячным периодом 27.55 сут не учитывались из-за относительной малос

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком