Тихого океана. В явлении ЭНЮК поэтому выделяют две крайние фазы: теплую
фазу (Эль-Ниньо) при SOI ? 0 и холодную фазу (Ла-Нинья) при SOI ? 0.
При Эль-Ниньо уровень моря в восточной части Тихого океана примерно на
50 см. выше, чем в западной части, при Ла-Нинья – картина обратная. Это
значит, что в тропической зоне имеются межгодовые колебания уровня моря
между восточной и западной частями Тихого океана амплитудой примерно 50 см.
Спектр этих колебаний аналогичен спектру SOI.
Со времени пионерских работ Дж. Бьеркнеса считается, что ЭНЮК есть
самоподдерживающееся колебание, в котором аномалии температуры поверхности
экваториальной части Тихого океана влияют на интенсивность пассатных
ветров. Последние управляются океаническими течениями, а те в свою очередь
формируют аномалии температуры поверхности океана.
Обычно строятся нелинейные модели взаимодействия океана с пассатными
ветрами и исследуется поведение моделей в зависимости от амплитуды
сезонного цикла температуры воды и скорости течения, параметров,
характеризующих силу трения атмосферы с океаном, вариаций термоклина и т.п.
В частности, показано, что при изменении во времени параметров сцепления и
сезонного воздействия на экваторе возникают совместные колебания аномалий
температуры океана, скорости течения и глубины термоклина с периодом 3 – 4
года и их гармоники. Когда температура воды и скорости течения изменяются в
течение года, предельный цикл становится странным аттрактором – зоной
фазового пространства, к которой притягиваются фазовые траектории и в
которой изображающая точка совершает хаотическое движение, лишенное
свойства повторяемости. Наличие хаоса расширяет и размазывает главные
энергетические пики в спектре и сдвигает их в сторону низких частот.
Годовые вариации основного состояния не только порождают нерегулярности
периода колебаний, но и приводят к синхронизации колебаний с годовым
циклом, в результате чего появляются субгармоники с периодом 3,4 и 5 лет.
Таким образом, все современные модели трактуют ЭНЮК как автоколебания
совместной системы океан – атмосфера, не обращая внимания на то, что в
спектре присутствуют составляющие, кратные не 1 году, а 1,2 года. Период
1,2 года, названный по имени его первооткрывателя периодом Чандлера, - это
период свободного движения географических полюсов Земли. Он определяется
сжатием и упругими свойствами Земли, поэтому естественно было предположить,
что колебания ЭНЮК есть колебания не двойной системы океан – атмосфера, а
тройной: атмосфера – океан – Земля.
ДИНАМИКА ВРАЩАЮЩИХСЯ ТЕЛ.
Прежде чем перейти к рассмотрению значения колебаний Земли в механизме
явления ЭНЮК рассмотрим свойства нашей планеты как вращающегося тела. Нам
необходимо ввести понятия прецессии и нутации.
Рассмотрим быстро вращающийся волчок. Пусть его ось вращения отклонена
от вертикали на угол ? ( см. рис 3)
На волчок действует сила тяжести P = mg, где m – масса волчка, g –
ускорение силы тяжести. Невращающееся тело под действием силы тяжести
падает. В случае волчка падения не наблюдается. Ось его вращения непрерывно
смещается, но не в направлении силы тяжести, а в перпендикулярном ей
направлении, описывая конус вокруг вертикали. Это движение оси волчка
называется прецессией. Чтобы понять, почему так ведет себя волчок,
проанализируем его динамику.
Вектор момента импульса волчка равен H = J?, где J – момент инерции
волчка относительно его оси вращения, ? - вектор угловой скорости. Сила
тяжести Р создает момент силы L относительно точки опора О: L = [ R x P ],
где R – радиус – вектор центра тяжести. Под действием момента силы L момент
импульса волчка
dH
изменяется со скоростью = L. Поскольку вектор L направ-
dt
лен перпендикулярно векторам R и Р, и вектор Н совпадает по направлению с R
, то конец вектора Н и с ним ось вращения волчка смещаются в направлении,
перпендикулярном направлению силы тяжести Р. При отсутствии трения вектор Н
меняется только по направлению, т.е вращается, описывая конус с вершиной в
точке опоры О.
Какова угловая скорость ? прецессии волчка? За промежуток времени dt
вектор Н получает перпендикулярное себе приращение dН = L dt, лежащее в
горизонтальной плоскости. Отношение dН к проекции вектора Н на
горизонтальную плоскость Нsin? дает угол d? поворота этой проекции за
время dt:
L
d? ’ dt
Нsin?
Производная d? / dt является искомой угловой скоростью прецессии:
L mgRsin? mgR
? = = =
Hsin? J? sin? J?
Итак, угловая скорость прецессии прямо пропорциональна величине
момента силы тяжести и обратно пропорциональна моменту импульса волчка.
Направление прецессии определяется правилом: момент силы L заставляет
отрезок Rsin? вращаться около точки О в направлении к вектору L.
Более строгое рассмотрение показывает, что, помимо прецессии, ось
волчка совершает быстрые колебания малой амплитуды. Эти колебания (
дрожание оси ) называются нутацией ( от лат. Nutatio – колебание ).
Удвоенная амплитуда ? - ?0 и период ? нутации волчка приближенно равны:
2АmgRsin?0 2?A
? - ?0 ? ; ? ?
(J?)2 J?
где ? и ?0 - пределы изменения угла ? в результате нутации, А –
момент инерции волчка относительно оси, проходящей через точку О
перпендикулярно оси вращения.
Как известно, Земля вращается вокруг своей оси со скоростью 7,29 . 10-
5 рад /с. Угол наклона этой оси к плоскости земной орбиты – эклиптике –
равен 660 33’ . Момент инерции Земли огромен – 8,04 . 1037 кгм2 . Фигура
Земли близка к фигуре эллипсоида вращения. Когда Луна и Солнце не лежат в
плоскости земного экватора, их силы притяжения стремятся развернуть Землю
так, чтобы экваториальные вздутия располагались по линии, соединяющей центр
масс Земли с Луной и Солнцем. Но так же, как волчок, Земля не
поворачивается в этом направлении, а под действием момента пары сил,
действующих на экваториальные вздутия, прецессирует. Земная ось медленно
описывает конус вокруг перпендикуляра к плоскости эклиптики (рис. 4).
Вершина конуса совпадает с центром Земли. Так как момент импульса
Земли очень велик (59 . 1032 кг . м2 . с-1 ), скорость прецессии очень мала
( период равен примерно 26 тыс. лет). Угол наклона земной оси к эклиптике
при прецессии не меняется, оставаясь равным 660 33’ , и географические
координаты пунктов на Земле остаются без изменений.
Моменты сил притяжения, которые действуют на экваториальные вздутия,
меняются в зависимости от изменения положения Луны и Солнца по отношению к
Земле. Когда Луна и Солнце находятся в плоскости земного экватора, моменты
сил исчезают, а когда склонения Луны и Солнца максимальны, достигают
наибольшей величины. Вследствие таких колебаний моментов сил тяготения
наблюдается нутация земной оси. Нутационное движение складывается из ряда
небольших периодических колебаний. Главнейшее из них имеет период 18,6 года
– период обращения лунных узлов (точек пересечения орбиты Луны с
эклиптикой). Движение с этим периодом происходит по эллипсу. Большая ось
эллипса перпендикулярна направлению прецессионного движения и равна 16,4”
(рис. 4). Малая ось параллельна направлению прецессионного движения и равна
13,7”. Таким образом, ось вращения земли описывает на небесной сфере
волнообразную траекторию, точки которой находятся на угловом расстоянии в
среднем около 230 27’ от полюса эклиптики.
Помимо лунно-солнечной прецессии и нутации, ось вращения Земли
изменяет свое положение также и относительно тела Земли. Это явление
называется движением полюсов. Оно приводит к изменению координат пунктов на
Земле.
КОЛЕБАНИЯ ЗЕМЛИ.
Происходящее в процессе ЭНЮК перераспределение воздушных и водных масс
приводит к тому, что ось наибольшего момента инерции отклоняется по
меридиану Австралии при Эль-Ниньо и по меридиану Таити при Ла-Нинья. Земля,
являясь гироскопом, преобразует качания этой оси в движение оси наибольшего
момента инерции Земли по конусу относительно оси суточного вращения. Из-за
этого точки, в которых ось вращения пересекает земную поверхность –
мгновенные полюсы Земли, - движутся. Они перемещаются по земной поверхности
вокруг своего среднего положения в направлении вращения Земли, т.е. с
запада на восток. Фигура, строение и физические свойства Земли таковы, что
период свободных колебаний полюсов Земли равен 1,2 года. Помимо этого,
чандлерова, движения полюсов имеется еще и вынужденное движение полюсов
периодом 1 год. Сложение этих двух движений порождает биения, в результате
которых радиус траектории полюса меняется от максимального до минимального
с периодом примерно 6 лет ( рис. 5).
Рис. 5 Траектория движения Северного географического полюса Земли в
1990 – 1996
гг. с отметками начала каждого года.
Наибольшее удаление мгновенного полюса от среднего значения не
превышает 15 м. (0,5”).
Движение полюсов порождает прилив в атмосфере и Мировом океане
(полюсной прилив), амплитуда которого зависит от величины смещения полюса.
Волна полюсного прилива движется в атмосфере и океане вслед за полюсами
Земли и, несмотря на свою малость, приводит к синхронизации колебаний
системы атмосфера – океан с циклами движения полюса. В результате в спектре
ЭНЮК появляются гармоники с периодами, кратными чандлерову. Возникает
явление комбинационного резонанса, при котором даже воздействия малой
мощности способны возбудить наблюдаемое движение полюсов. Отсутствие в
спектре ЭНЮК гармоник с периодами 1,2; 4,8; 7,2 года и т.д., вероятно,
связано с явлением конкуренции – подавления одних гармоник другими в
процессе их взаимодействия друг с другом.
Изменения интенсивности явления ЭНЮК во времени приводит к
нестабильности процесса возбуждения чандлеровского движения полюсов, к
изменению его характеристик (амплитуды, фазы, декремента затухания и т.д.).
Например, в 1925 – 1945 гг. наблюдалось значительное затухание этого
движения (в несколько раз уменьшилась его амплитуда, удлинился период и
