5.1 Нерівномірність обертання Землі

Головною вимогою, що ставиться до систем виміру часу є вимога стабільності одиниць часу.

Як відомо, одиницею часу в астрономії – добою є один оберт Землі довкола своєї осі. Тривалий час стабільність цієї одиниці не викликала сумнівів у науковців, оскільки вважалося, що Земля обертається з рівномірною швидкістю.

Перші сумніви в постійності швидкості обертання Землі зародились після відкриття у 1645 році Е. Галлеєм вікового прискорення Місяця, але тільки в 1755 році знаменитий німецький філософ і вчений Еманнуїл Кант звернув увагу на те, що в наслідок впливу регулярних морських припливів можливе зменшення швидкості обертання Землі і збільшення тривалості доби. Подальші дослідження цього питання повністю підтвердили цей висновок, і тепер ми знаємо, що обертання Землі довкола своєї осі є нерівномірними.

Зміни швидкості обертання Землі можна поділити на три види:

- вікові,

- періодичні,

- нерегулярні.

Причиною вікових змін швидкості обертання Землі є, в першу чергу, гальмівний вплив приливів, що виникають внаслідок дії сили тяжіння, спричиненої дією мас Місяця і Сонця на земну кору (земні припливи) та на її водну оболонку (водні приливи) і, по-друге, можливе прискорення обертання Землі за рахунок зміни моменту інерції Землі, що виникає внаслідок повільного переміщення матерії всередині Землі і на її поверхні [3].

Розрахунок впливу цих факторів на час можна провести за формулою [1]

, (5.1)

яку отримав С.Джонс шляхом порівняння координат Сонця, отриманих за спостереженнями і безпосередньо обчисленнями. В (5.1) - час в юліанських століттях, відрахованих від фундаментальної епохи (1q00, січень 0.5). Було встановлено, що внаслідок гальмівного впливу приливів період обертання Землі постійно зростає, тобто тривалість однієї доби збільшується на 0.00164 секунди за сторіччя. Оскільки ця зміна є прогресивною, то в першу добу вона буде дорівнювати , в другу - 2 і т.д.

За В.З. Халлуновим [1] за діб похибка часу може бути обрахована за формулою

, (5.2)

або

, (5.3)

де - інтервал часу, виражений в сторіччях. Це означає, що два тисячоліття похибка фіксації часу становитиме .

Періодичні зміни швидкості обертання Землі зумовлені, за даними досліджень Н.С. Сидоренкова [8] і інших дослідників, річним переміщенням мас повітря і вологи (сніг, лід). Встановлено, що в зимовий період ці маси над Євразією більші, ніж в літній період на 6·10¹⁵ кг. Все це призводить до зміни моментів інерції Землі і впливає на швидкість її обертання.

Для обчислення періодичних змін швидкості обертання Землі можна використати формулу [3]

. (5.4)

В (5.4) аргумент визначають з виразу

, (5.5)

де - час, виражений в добах, - тривалість року в добах.

Амплітуда річного коефіцієнта згідно з дослідженнями становить 0.^s0005, а амплітуда піврічного коефіцієнта - 0.^s0003. Фази і досягають екстремальних значень в березні і серпні. Так, в березні тривалість доби буде найбільшою внаслідок дії цього фактору ( ), а в серпні найменшого ( ).

При вимірюванні значних проміжків часу (багаторічних) періодичні впливи не мають суттєвого значення, оскільки похибки, що виникають внаслідок впливу сезонних змін швидкості обертання Землі, з року в рік взаємно компенсуються.

Нерегулярні зміни швидкості обертання Землі характерні тим, що не зберігають свою постійність в часі, в деякі роки Земля обертається швидше, в інші 0 повільніше. Ці нерегулярні зміни, які називають ще флуктуаціями, проходять досить швидко і можуть викликати значні похибки в обліку часу.

Найбільші значні нерегулярні зміни швидкості обертання Землі в ХХ столітті спостерігались в період з 1900 по 1920 роки. В цей час Земля оберталась з меншою швидкістю, і доба була довшою на 0⁵.0011, що спричинило похибку фіксації часу в 10⁵.

З 1920 по 1955 роки спостерігалось поступове збільшення швидкості обертання Землі, що скоротило тривалість доби на 0⁵.0017, а похибка фіксації часу в цьому інтервалі змінилась на 22^s. Після цього було зафіксовано зменшення швидкості обертання Землі (до 1973 р.), а після цього і по сьогодні спостерігається поступове збільшення швидкості обертання Землі [2].

Причини, що викликають флуктуації кутової швидкості обертання Землі, найбільш ймовірно, пов’язані з перекристалізацією мас в землі (гіпотеза Брауна), що призводить до зміни моменту інерції і відповідно до зміни швидкості обертання.