АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2ÜÜ7, том 41, № 1, с. 7Ü-76
УДК 523.31
СВЯЗЬ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ВАРИАЦИИ ПОЛЮСА ЗЕМЛИ С СЕВЕРО-АТЛАНТИЧЕСКИМ КОЛЕБАНИЕМ
© 2007 г. В. Л. Горшков
Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 06.06.2005 г.
Так называемые волны Марковица (Markowitz wobble - MW) представляют собой квазигармонические колебания среднего полюса Земли с периодом около 30 лет и амплитудой 0.02'-0.03". СевероАтлантическое колебание (North Atlantic Oscillation - NAO), характеризуемое крупномасштабными явлениями в системе атмосферно-океанических процессов этого региона, в свою очередь, имеет вариации ряда метеорологических параметров в широкой полосе частот. В данной работе выделены синхронные колебания полюса (MW) и индексов NAO, также исследована возможность геофизического возбуждения низкочастотных колебаний среднего полюса Земли вариациями барического поля NAO.
PACS: 91.10.Nj
ВВЕДЕНИЕ
Северо-Атлантическое колебание (NAO) является крупномасштабным климатическим явлением, определяющим погоду не только северной Атлантики, но и прилегающих частей континентов. NAO характеризуется синхронными изменениями многих метеорологических параметров. Симметрично относительно полюса в северной части Тихого океана выделено другое климатическое образование - Северо-Тихоокеанское. Иногда их рассматривают совместно под общим названием Арктическое колебание.
Среди причин, определяющих пространственно-временные вариации NAO, рассматриваются, в основном, динамика крупномасштабных взаимодействий атмосферно-океанических циркуляций (Kushnir, 1994) и активные процессы на Солнце (Boberg, Lundstedt, 2003).
Спектр колебаний полюса простирается от доступных с помощью современных средств мониторинга внутрисуточных его вариаций до десятилетних (декадных), ограниченных в этой низкочастотной части астрометрической историей наблюдений. Наиболее мощными являются почти гармонические компоненты чандлеровских и годичных колебаний полюса. В низкочастотной части характерными являются почти линейный тренд полюса в сторону американского континента со скоростью примерно 10 см/год и вариации относительно этого направления, имеющие размах меньше метра и характерный период около 30 лет (рис. 1).
Природа этих колебаний, впервые выделенных как самостоятельное движение полюса Земли Markowitz (1960), пока не выяснена. В работе (Dumberry, Bloxham, 2002) рассматривается их ге-
нерация гравитационными возмущениями от внутреннего ядра Земли. В работе Сидоренкова (2002) показано, что одновременное таяние ледников в Антарктиде и Гренландии с вполне приемлемой скоростью в несколько грамм c 1 см2 поверхности ледника в год может объяснить наблюдаемое среднее движение полюса. При этом необходимо предположить определенную регулярность и согласованность процесса таяния разных ледников.
NAO, как и другое глобальное океаническое колебание Эль-Ниньо, является одним из возможных "дирижеров" поведения вектора вращения Земли за счет обмена угловыми моментами с твердой оболочкой Земли и изменения ее тензора инерции (Сидоренков, 1997). В работе (Chao, Zhou,
Рис. 1. Вариации движения среднего полюса за 19001998 гг. по данным EOP(IERS)C01.
1999) рассматривается возможность геофизического возбуждения процессом NAO колебаний полюса в широком спектре частот. Отмечается, что, в связи с меридиональной, в основном, направленностью своей активности, NAO может быть ответственно за колебания полюса, в то время как колебание Эль-Ниньо, имеющее широтное расположение центров барических контрастов, должно вызывать вариации скорости вращения Земли. Однако в своей работе авторы использовали данные только с 1962 г., при этом предварительно вычли полиномиальную и сезонную компоненты из движения полюса, поэтому долгопериодические проявления NAO остались не исследованными.
Существует две возможности оценить вклад того или иного геофизического фактора в возбуждение динамики вектора вращения Земли (в данном исследовании будет рассмотрено только движение полюса). С одной стороны, имея заданные координаты движения полюса p = x - iy, можно оценить с помощью уравнений Лиувилля (Lambeck, 1980) возможную интегральную функцию возбуждения ¥ = ¥x + i'W
p + (i/ajdp/dt = ¥• (1)
Здесь ас = wc (1 + i/2Q) - комплексная частота свободной нутации, юс = 0.843 - частота чандлеров-ского движения полюса и Q = 50-180 - добротность системы на резонансной частоте.
С другой стороны, имея геофизические данные в виде рядов давления, атмосферных и океанических течений, можно оценить их вклад в движение полюса за счет перераспределения масс и относительных движений, иначе говоря, за счет изменения тензора инерции I(t) и углового момента h(t). В этом случае функция возбуждения запишется следующим образом (Wahr, 1982):
¥ =1.61[h(t) + DJ(t)/1.44]/[D(C - A)]. (2)
Здесь D - угловая скорость вращения Земли, C и A - главные моменты инерции Земли. Численные коэффициенты в (2) отражают реакцию упругой Земли на нагрузку и вращательную деформацию. Оценив ¥ и подставив ее в (1), после численного интегрирования получим вычисленные "геофизические" значения координат полюса p(x, y), которые можно сравнить с астрономическими наблюдениями параметров вращения Земли (ПВЗ).
В случае гармонического возбуждающего фактора ¥emt с частотой а вынужденное колебание полюса распадается на две компоненты - совпадающую (+) и противоположную (-) вращению Земли (Манк, Макдональд, 1964):
¥ = ¥+eiat/(1 - s) + ¥-e-iat/(1 + s). (3)
Здесь s= а/ас - отношение частоты возбуждения к резонансной частоте. Так как в случае волн Марковица s < 0.05, то справедливы выводы Манка и Макдональда (1964) об асимптотическом
синхронизме движений и сближении ориентаций эллипсов возбуждения и вращения при уменьшении частоты возбуждения о.
Цель данной работы - показать возможность геофизического возбуждения долгопериодиче-ских колебаний полюса (М^ низкочастотной составляющей барического поля Северо-Атлантического колебания.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
В работе использовались сводные данные международной службы вращения Земли (МСВЗ) о движении полюса E0P(IERS)C01 (http://hpiers. ob-spm.fr/eop-pc/). Следует заметить, что этот ряд координат полюса начинается с 1846 г. Однако до организации в 1896 г. международной службы широты (МСШ) при вычислении координат полюса использовался фильтр, исключающий информацию о движении среднего полюса. Кроме того, ошибка в определении координат полюса в 19 веке до организации МСШ превышала 0.05", в то время как величина амплитуды исследуемых MW составляет 0.02"-0.04".
В качестве индексов NAO (NAOI) используются вариации давления между станциями средиземноморского района Атлантики (например, на Азорских островах (А)) и Исландией (I). Индексы NAO фактически являются стандартизованными разностями давлений между ними:
NAOI = (PA - Pa)/аА - (p - Pi)/а1. (4)
Здесь P осредненные по ряду значения давлений, а а - дисперсии соответствующих рядов.
Имеющиеся инструментальные ряды NAOI основаны на барометрических данных и начинаются с средины 19-го века. Помимо этих рядов существуют "реставрированные" индексы вплоть до 13-го столетия по инструментальным данным о температуре на уровне моря и другим климатическим параметрам на основе их регрессионного представления по методу главных компонент (Jones, Mann, 2004). Часто используются так называемые "зимние" индексы NAO, полученные аналогичным образом, но только по зимним месяцам года, когда характер южных и северных барических полей северной Атлантики наиболее контрастен.
Нами использовался ряд месячных данных NAOI с 1824 г. (Jones и др., 1997), в дальнейшем NAOI-1824, и ряд с 1864 г. (Hurrell, 1995), в дальнейшем NAOI-1864. На рис. 2 приведен ряд NAOI-1824 и его амплитудный спектр. Хотя индексы NAO не имеют доминантных периодично-стей, в них присутствует набор квазигармонических компонент, в частности в области низких ча-
NAO-1824
■ сглаженное (12 лет)
0.8
-4-
64
1825 1850 1875 1900 1925 1950 1975 2000 0 ' 0.05 ' 0.10 ' 0.15 ' 0.20 ' 0.25 ' 0.30 ' 0.35
Год Цикл/год
Рис. 2. Сезонные значения NAOI-1824 и сглаженное по 12 годам его значение (слева); справа - его амплитудный спектр в тех же единицах (цифрами у пиков спектра отмечены соответствующие им периоды в годах).
0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1
X, Y (SSA) [угл. с] Все компоненты с периодами T > 20 лет
Y (32.7%)
X (10.2%)
1900 1920 1940 1960 1980 2000
Год
0.03 0.02 Н 0.01 0-0.01-0.02 -0.03 -0.04
X, Y без тренда (MSSA 0.54%) [угл. с]
1900 ' 1925 ' 1950 ' 1975 ' 2000
Год
Рис. 3. Все низкочастотные компоненты движения полюса (X и Y в секундах дуги), включая тренд, выделенные с помощью SSA по ряду EOP(IERS)C01 с 1896 г. (слева); справа - только MW-компоненты, выделенные с помощью MSSA.
стот имеются составляющие (~24 года), которые могут быть ответственны за модуляцию MW.
Все исследуемые ряды имеют нерегулярности, обусловленные, в том числе, климатическими глобальными явлениями. Для исследования квазигармонических составляющих рядов такой нестационарной природы наиболее адекватным является метод сингулярного спектрального анализа (Singular Spectrum Analysis - SSA) с последующим восстановлением значимых информативных компонент (Данилов, Жиглявский, 1997). Подробное исследование возможностей метода для геодинамических приложений приведено в работе (Воротков и др., 2002). Для совместного исследования анализируемых рядов использовалось также многомерное обобщение SSA (MSSA).
РЕЗУЛЬТАТЫ СОВМЕСТНОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ
В координатах полюса X и У были выделены с помощью MSSA (совместно по X и У) и SSA (раздельно по X и по Y) все составляющие с частотами ш < 0.05 циклов/год (рис. 3). Общий вклад компонент М¥ в колебания полюса не превышает 1%, так как основная мощность процесса сосредоточена в почти линейном тренде (38%), сезонных (15%) и чандлеровских (39%) составляющих. Характер вариаций У-компоненты в движении полюса имеет помимо М¥ более мощную полувековую составляющую.
На рис. 1 видно, что в 1950-х годах изменился характер векового движения полюса. Поэтому были проведены оценки низкочастотных компо-
0.60.
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.