Н.С. Сидоренков
Обертання Землі навколо своєї осі споконвіку використовується людиною для вимірювання часу. В астрономії та геодезії воно лежить в основі введення різних систем координат. Однак при обертанні Землі змінюється її швидкість, рухаються географічні полюси, коливається вісь обертання в просторі. Ця нестабільність спотворює координати небесних і земних об'єктів. Нерівномірність обертання і рух полюсів викликаються процесами, що відбуваються на планеті, і залежать від особливостей будови та фізичних властивостей земних надр.
Астрономічні дані. Сумніви в сталості швидкості добового обертання Землі виникли після відкриття Е. Галлея в 1695 р. вікового прискорення руху Місяця. Думка про віковий уповільненні обертання Землі під дією приливного тертя була вперше висловлена І. Кантом в 1755 р. У другій половині минулого століття були отримані свідоцтва про нерегулярні флуктуаціях швидкості обертання планети і рух географічних полюсів. З тих пір за нерівномірністю обертання і рухом полюсів ведуться регулярні спостереження.
Швидкість обертання Землі можна охарактеризувати відхиленням тривалості земних діб від еталонних, рівних 86400 с. Чим коротше земну добу, тим швидше обертається Земля. До створення дуже точних атомних годин швидкість обертання контролювалася завдяки порівнянню спостережених і обчислених (відповідно до небесно-механічними теоріями) координат планет. Так вдалося отримати уявлення про зміну швидкості обертання Землі протягом останніх трьох століть (рис. 1). З початку XVIII до середини XIX ст. швидкість обертання Землі змінювалася мало. З другої половини XIX ст. по теперішній час спостерігаються значні нерегулярні флуктуації кутовий швидкості обертання з характерними часом близько 60-70 років. Швидше за все Земля оберталася в 1870 р., коли тривалість доби була на 0.003 з коротше еталонних, а найповільніше - в 1903 р. (земну добу були довші еталонних на 0.004 с). З 1903 по 1934 р. відбувалося прискорення обертання Землі, з кінця 30-х років до 1972 р. спостерігалося уповільнення, а з 1973 р. по теперішній час Земля прискорює своє обертання. Коливання кутовий швидкості обертання Землі, що спостерігалося у XX ст. (З 1903 по 1972 р.) часто називають 60-70-річним. У XIX ст. коливання приблизно того ж періоду було зафіксовано з 1845 по 1903 р. У більш ранню епоху 60-70-літні коливання не простежуються. На жаль, дані XVII-XVIII ст. мають низьку роздільну здатність, тому що тоді інтервали часу між спостереженнями іноді досягали 29 років.
Точність визначення нерівномірності обертання Землі покращилася в 1955 р. - після того як стали використовуватися атомний годинник. З цього моменту з'явилася можливість реєструвати коливання швидкості обертання Землі з періодами більше одного місяця. Хід середньомісячних величин швидкості обертання за період 1955-2000 рр.. зображений на малюнку 2. Швидкість обертання Землі буває найменшою в квітні і листопаді, а найбільшою - в січні і липні. Січневий максимум значно менше липневого. Різниця між мінімальною величиною відхилення тривалості земних діб від еталонних в липні і максимальною в квітні або листопаді становить 0.001 с.
Сезонні коливання зазвичай описують сумою річний та піврічний гармонік. Їх амплітуди і фази від року до року змінюються, виявляючи цікаві закономірності. Амплітуда річної гармоніки змінюється з характерним часом близько шести, а піврічний - близько двох років. Середня величина амплітуд річний та піврічний гармонік дорівнює відповідно 0.00035 і 0.00032 с.
У 80-і роки астрооптіческіе спостереження були замінені новими методами вимірювань: лазерна локація супутників (ЛЛС) і Місяця (ЛЛЛ), системи глобального позиціонування (СДП) і т.д. Точність визначення всесвітнього часу збільшилася на два порядки. У результаті з'явилася можливість вивчати коливання швидкості обертання Землі з періодами до доби, а в окремі моменти спеціальних серій спостережень - до декількох годин.
На малюнку 3 відтворений добовий хід значень відхилень тривалості доби в 2000 р. Тут, крім сезонних змін, обумовлених гідромеханіч-теорологіческімі процесами, добре видно приливні коливання швидкості обертання Землі. За величиною розмаху вони трохи поступаються сезонним коливанням, але їх періоди в десятки разів коротше сезонних (близькі до 14 діб).
Ефективним інструментом дослідження циклічності є спектральний аналіз. Він полягає, по-перше, у поданні досліджуваних коливань у вигляді суми елементарних гармонік, і, по-друге, у виявленні залежності середніх квадратів амплітуд цих гармонік від їх частоти чи періоду, тобто в знаходженні спектральної функції.
У приливних коливаннях швидкості обертання Землі виділяються складові з періодами в рік, півроку, 13.7; 27.3; 9.1 доби. Спектральний аналіз 350-річного ряду середньорічних значень дає максимум спектральної щільності на періоді близько 70 років. Коливання з цим періодом особливо помітно проявлялося в останні 150 років. На початку XX ст. амплітуда 70-річного коливання сягала 2 місяців.
Змінюється не тільки кутова швидкість Землі. Наша планета робить невеликі коливання відносно осі обертання. Тому рухаються точки, в яких вісь перетинає земну поверхню (миттєві полюса Землі). Вони переміщуються по земній поверхні навколо середнього полюса в напрямку обертання Землі, тобто з заходу на схід. Траєкторія руху полюса має вигляд спіралі, яка періодично то закручується, то розкручується. Для прикладу на малюнку 4 показано траєкторія руху миттєвого Північного полюса за 1996-2000 рр.. Його максимальне віддалення від середнього зазначалося в травні-липні 1996 р. Потім полюс став закручуватися, і це тривало до 2000 р., коли він підійшов на мінімальну відстань до центру спіралі. Зараз полюс розкручується і віддаляється від свого середнього положення.
Найбільше видалення миттєвого полюсу від середнього не перевищує 15 м. Закручування і розкручування траєкторії полюса пояснюється тим, що він робить два періодичних руху: вільне або чандлеровское (названо на честь відкрив його в 1891 р. С. Чандлера) з періодом близько 14 місяців і вимушене - з річним періодом. Чандлеровское рух полюсів виникає, якщо вісь обертання Землі відхилена від осі її найбільшого моменту інерції. Рух полюсів, викликане дією на Землю періодичних сил атмосфери та гідросфери, називається вимушеним. Період вільного руху залежить не від періоду збуджуючої сили, як це характерно для вимушеного руху, а від динамічного стиснення і пружних властивостей планети. Додавання цих рухів і дає спостережувану картину. Аналіз координат полюса за останні 110 років показує, що вимушене рух відбувається по еліпсу з заходу на схід. Величини великих півосей еліпса коливалися в межах від 3.4 до 2.7 м, малих півосей - від 2.5 до 1.8 м, ексцентриситетів - від 0.15 до 0.46, а східні довготи великої півосі мали значення від 2050 до 1450 ВД.
Чандлеровское рух полюса має майже кругову траєкторію. Воно характеризується ще більшою мінливістю параметрів. Радіус вільного руху має амплітудної модуляцією з періодом близько 40 років. Максимальні значення радіуса (9 м) спостерігалися в 1915 і 1955 рр.., А мінімум (2 м) - в 1930 р.
Центр спіралі знаходиться в стороні від міжнародного умовного початку координат. Причина тому - вікове рух полюса. Якщо з координат полюса виділити річну та чандлеровскую складові, то залишаться координати середнього полюсу. Він теж зміщується. Траєкторія руху середнього полюсу за 1890-2000 рр.. зображена на малюнку 4. Протягом періоду спостережень середній полюс зміщувався по складній зигзагоподібної кривої з переважаючим напрямком в бік Північної Америки (меридіан 290 ° східної довготи) зі швидкістю близько 10 см в рік.
Природа періодичних коливань. Фігура Землі близька до еліпсоїда обертання. Коли Місяць і Сонце не лежать в площині земного екватора, їх сили тяжіння прагнуть розгорнути планету так, щоб екваторіальні здуття фігури розташовувалися по лінії, що з'єднує центри мас Землі, Місяця і Сонця. Але Земля не повертається в цьому напрямку, а прецессирует під дією моменту пари сил.
Вісь обертання Землі повільно описує конус навколо перпендикуляра до площини екліптики (рис. 5). Вершина конуса співпадає з центром планети. Точки рівнодень і сонцестоянь рухаються по екліптиці назустріч Сонцю, здійснюючи оборот за 26 тис. років (швидкість руху -1 ° за 72 роки).
Моменти сил тяжіння, що діють на екваторіальні здуття, змінюються в залежності від положення Місяця і Сонця по відношенню до Землі. Коли ці планети знаходяться в площині земного екватора, моменти сил зникають, а коли схилення Місяця і Сонця максимальні, то величина моменту найбільша. Внаслідок таких коливань моментів сил тяжіння спостерігаються нутації (від лат. Nutatio - коливання) осі обертання Землі, що складаються з низки невеликих періодичних коливань. Найголовніша з них має період 18.6 року - час звернення вузлів орбіти Місяця. Рух з цим періодом відбувається по еліпсу. Велика вісь еліпса перпендикулярна напрямку прецесійного руху і дорівнює 18 ".4; мала паралельна йому і дорівнює 13" .7. Таким чином, вісь обертання Землі описує на небесній сфері хвилеподібну траєкторію, точки якої знаходяться на кутовій відстані в середньому близько 23 ° 27 'від полюса екліптики (рис. 5).
Припливні виступи переміщуються по земній поверхні слідом за Місяцем і Сонцем зі сходу на захід, тобто в напрямку, протилежному добовому обертанню Землі. Природно, що при цьому в океанах і в Землі виникають сили тертя, які гальмують обертання планети, завдяки чому і відбувається вікове уповільнення обертання Землі. Оцінки показують, що доба повинні збільшуватися на 0.003 з за 100 років. Таким чином, нерівномірності обертання Землі, представлені на малюнках, майже не пов'язані з впливом приливного тертя і викликані іншими причинами.
Земні припливи відіграють помітну роль у коливаннях швидкості обертання з періодами менше місяця. Приливообразующих сила розтягує планету вздовж прямої, що з'єднує її центр з центром обурює тіла - Місяця або Сонця. При цьому стиск Землі збільшується, коли вісь розтягування збігається з площиною екватора, і зменшується, коли вісь відхиляється до тропіків. Момент інерції * стислій Землі більше, ніж недеформованою кулястої планети. А оскільки момент імпульсу Землі (твір її моменту інерції на кутову швидкість) повинен залишатися постійним, то швидкість обертання стислій планети менше, ніж недеформованою. При русі Місяця і системи Земля-Місяць, відмінювання Місяця і Сонця, а також відстані від Землі до Місяця і Сонця змінюються. Тому приливообразующих сила коливається в часі. Відповідним чином змінюється стиснення Землі, що в кінцевому результаті і викликає приливну нерівномірність її обертання. Найбільш значними з цих змін швидкості обертання планети є коливання з півмісячними і місячним періодами.
* Момент інерції частинки відносно осі обертання Землі дорівнює твору її маси на квадрат відстані до осі. Момент інерції Землі - сума моментів інерції складових її частинок.
Чим же зумовлена непрілівная нерівномірність обертання Землі і рух полюсів? Існує багато процесів, які можуть впливати на обертання Землі. Це зміни в розподілі повітряних мас в атмосфері, сніжного і крижаного покривів, опадів і рослинності на земній поверхні, зміни рівня Світового океану, взаємодія ядра і мантії Землі, виверження вулканів, землетруси, впливу зовнішніх сил і т.д. Ретельні оцінки внеску перерахованих процесів дозволили виявити найбільш істотні з них.
Протягом року маси повітря і вологи перерозподіляються між материками і океанами, а також між Північним і Південним півкулями. Так, у січні маса повітря над Євразією на 6х1015 кг більше, ніж у липні. Від січня до липня з Північної півкулі в Південне переноситься 4х1015 кг повітря. Протягом зими відбувається накопичення снігу в північних районах Євразії та Північної Америки. Навесні волога повертається у Світовий океан. Все це змінює момент інерції Землі і позначається на її обертанні. Оцінки показують, що сезонне перерозподіл повітряних і водних мас мало впливає на сезонну нерівномірність обертання планети, але майже повністю обумовлює вимушений рух полюсів.
Чандлеровское рух повинен затухати з часом, так як енергія вільного руху полюсів перетворюється на Землі на тепло. Відсутність загасання вільного руху полюса вказує на те, що існують процеси, безперервно його підтримують. До них відносять землетрусу, електромагнітна взаємодія ядра і мантії Землі, місячно-сонячну прецесію і т.д.
Дослідження останніх років показали, що головна причина сезонної нерівномірності обертання Землі - атмосферна циркуляція. У середньому атмосфера рухається відносно земної поверхні в низьких широтах зі сходу на захід, а в помірних і високих - із заходу на схід. Момент імпульсу переважаючих східних вітрів негативний, а західних - позитивний. Можна було б думати, що ці моменти компенсують один одного і момент імпульсу вітрів всієї атмосфери завжди дорівнює нулю. Однак розрахунки показують, що момент імпульсу східних вітрів у кілька разів менше моменту імпульсів західних вітрів. Момент імпульсу вітрів атмосфери складає в середньому за рік +14 х1015 кг/м2 з-1. Його величина міняється протягом року від +16.1 х1025 кг/м2 з-1 в квітні і листопаді до +10.9 х1025 кг/м2 з-1 в серпні.
Момент імпульсу - це фізична величина, яка не може виникати або знищуватися. Вона здатна лише перерозподілятися. У даному випадку перерозподіл відбувається між атмосферою і Землею. Коли момент імпульсу атмосфери збільшується, тобто посилюються західні вітри або слабшають східні вітри, момент імпульсу Землі зменшується, тобто сповільнюється її обертання. Коли ж момент імпульсу атмосфери зменшується (слабшають західні чи посилюються східні вітри), обертання Землі прискорюється. Ступінь згоди змін моменту імпульсу атмосфери і моменту імпульсу Землі в 1958-2001 рр.. зображений на малюнку 6. Величини відхилень моменту імпульсу Землі взяті з протилежним знаком. Видно, що хід обох кривих збігається в межах похибок спостережень. Так що сумарний момент імпульсу планети і атмосфери залишається незмінним.
Рис. 6. Хід відносного моменту імпульсу атмосфери (7) і обчислених із зворотним знаком збільшень моменту імпульсу Землі (2) у 1026 кг/м2 з-1
Факт, що момент імпульсу вітрів завжди позитивний, говорить про те, що атмосфера обертається навколо осі швидше Землі. Уподібнюючи рух атмосфери в цілому обертанню твердого тіла, можна сказати, що період її обертання навколо осі становить у квітні та листопаді 23 год 36 хв, а в серпні - 23445 хв. У середньому за рік добу для атмосфери тривають 23438 хв, а не 23 год 56 хв, як для Землі.
Існує думка, що раз атмосфера обганяє Землю в добовому обертанні, то вона повинна прискорювати обертання планети. Однак на нерівномірність обертання Землі впливають лише зміни моменту імпульсу вітрів. Постійна ж величина моменту імпульсу вітрів була запозичена атмосферою у Землі в момент формування атмосферної циркуляції. Тоді швидкість обертання Землі трохи сповільнилася (тривалість доби зросла на 0.0024 с) і залишається такою в даний час. Якщо джерело, що підтримує вітри в атмосфері, вичерпається, то атмосферна циркуляція припиниться і тривалість діб повернеться до початкового значення.
Атмосферу, нерівномірно розігріту по горизонталі сонячними променями, можна розглядати як теплову машину. Вона перетворює теплову енергію Сонця в кінетичну енергію вітрів. Найбільш теплі частини атмосфери в цьому випадку виконують функції нагрівача, а холодні - холодильника. Робочим тілом служить саме повітря. У сучасній фізиці атмосфери відомі кілька теплових машин. Найважливішими з них є теплові машини, породжувані контрастом температур між екватором і полюсами. Одна з них працює в Північній півкулі, а інша - в Південному. Завдяки цим машинам підтримуються спостережувані східні вітри в низьких широтах і західні - в помірних і високих. Чим більший контраст температур екватор-полюс, тим інтенсивніше атмосферна циркуляція в даній півкулі і тим більше величина моменту імпульсу вітрів.
Контраст температур в кожному півкулі буває найбільшим взимку, а найменшим - влітку. Тому момент імпульсу вітрів Північної півкулі здійснює гармонійні коливання з періодом в рік від максимального значення в січні до мінімального в липні. У Південній півкулі річне коливання має протилежну фазу: момент імпульсу максимальний в липні, а мінімальний - в січні. Тому річні коливання вітрів Північної і Південної півкуль компенсують один одного, і момент імпульсу вітрів атмосфери повинен залишатися майже постійним. Отже, теплові машини першого роду зумовлюють появу в атмосфері позитивної величини моменту імпульсу вітрів, але майже не впливають на його сезонні коливання.
Тривалий час залишалося незрозумілим, чому момент імпульсу вітрів атмосфери відчуває сезонні коливання. У 1975 р. було виявлено, що у верхніх шарах атмосфери найтеплішою областю є не екватор і не паралель, на якій Сонце опівдні буває в зеніті, а полярна "шапка" літнього півкулі (у липні - північна, а в січні - південна) . Виявилося, що середня температура повітря убуває від полюса річного півкулі до полюса зимового (у липні - від Північного полюса до Південного, а в січні - від Південного полюса до Північного). Стало ясно, що в атмосфері є межполушарная теплова машина, нагрівачем якої є атмосфера літнього півкулі, а холодильником - атмосфера зимового півкулі. Міжпівкульна теплова машина зменшує величину моменту імпульсу вітрів. Чим більший контраст температур між півкулями, тим значніше цей ефект. У січні та липні момент імпульсу вітрів зменшується до мінімальних значень, і швидкість обертання Землі досягає максимальних величин. У квітні і листопаді температурні відмінності між атмосферою Північної і Південної півкуль вирівнюється; межполушарная теплова машина припиняє свою роботу, тому в атмосфері утримується гранично велика величина моменту імпульсу вітрів і швидкість обертання Землі стає мінімальною.
Різниця величин липневого і січневого максимумів швидкості обертання Землі пов'язано з тим, що атмосфера Північної півкулі в середньому за рік тепліше атмосфери Південної півкулі. Тому контраст температур між полюсами в липні значно більше, ніж у січні. Якби підстилають поверхні в Північному та Південному півкулях були однакові, то величини січневого і липневого максимумів швидкості обертання Землі не розрізнялися б.
Природа десятирічних змін швидкості обертання Землі. Ці зміни надто великі, щоб їх можна було пояснити так само, як і сезонні коливання, перерозподілом моменту імпульсу між атмосферою і Землею. Так, уповільнення швидкості обертання з 1870 по 1903 р. було таким, що момент імпульсу Землі зменшився на 48х1025 кг/м2 з-1 Якщо б це уповільнення відбулося через перерозподіл моменту імпульсу між Землею і атмосферою, то момент імпульсу вітрів в 1870 р . був би на 48х1025 кг/м2 з-1 більше, ніж у 1903 р. Інакше кажучи, швидкість вітрів в атмосфері повинна була б збільшитися більш ніж у три рази (за 33 роки швидкості західних вітрів повинні були поступово підсилитися, а східних ослабнути всюди приблизно на 20 м / с). Однак настільки великих довгоперіодичних коливань атмосферної циркуляції немає. Вважається, що довгоперіодичних нерівномірність обертання Землі не може викликатися геофізичними процесами, що протікають на земній поверхні. Її зазвичай пов'язують з такими внутриземной процесами, як взаємодія ядра і мантії планети. На користь цієї гіпотези свідчить тісна кореляція між змінами швидкості обертання Землі і флуктуаціями швидкості дрейфу її ексцентричного магнітного диполя з характерним часом близько 60 років.
В останні роки отримано ряд емпіричних фактів, які змушують по-новому поглянути на цю проблему. Вплив атмосфери на обертання Землі можна оцінити не тільки в результаті підрахунку зміни моменту інерції і моменту імпульсу атмосфери, але і шляхом обчислення моментів сил, діючих на Землю з боку атмосфери. До них відносяться моменти сил тертя вітру про підстилаючої поверхню і моменти сил тиску на гірські хребти, що стоять на шляху вітрів. Для того щоб визначити ці моменти сил, потрібні дані про поля вітру або атмосферного тиску у приземному шарі над усією планетою. Знаючи сумарний момент сил, легко обчислити прискорення і нерівномірність обертання Землі.
Розрахунки показали, що, можливо, не тільки сезонна, а й довгоперіодичних нерівномірність обертання Землі викликалася в 1956-1977 рр.. механічним впливом атмосфери на Землю. Цей результат вказує на існування переносу "порцією" іноді позитивного, а іноді негативного моменту імпульсу через приземний шар атмосфери, що призводить до багаторічної нерівномірності обертання Землі. Відповідні ж зміни моменту імпульсу вітрів, необхідні для виконання балансу, не спостерігаються. Тому має бути якесь джерело моменту імпульсу в атмосферу. Природно було б припустити, що атмосфера отримує момент імпульсу або з навколоземного космічного простору, або від Землі - в процесі багаторічного перерозподілу води між океаном і сушею. Оцінки показали, що потік моменту імпульсу з космосу за рахунок сонячного вітру і впливу міжпланетного магнітного поля дуже малий, і подальші зусилля були направлені на дослідження ролі перерозподілу води.
Як відомо, близько 2% всієї води на Землі знаходиться в замерзлому стані. Загальна маса льоду в сучасну епоху приблизно дорівнює 28.4х1018 кг; з цього числа 90% припадає на льодовиковий щит Антарктиди, 9% - на льодовик Гренландії і менше 1% - на інші гірські льодовики. Площі льодовикових щитів складають: в Антарктиді 13.9 х1012м2, в Гренландії 1.8х1012 м2 а гірських льодовиків 0.5х1012 м2.
Маса льодовиків змінюється в часі. Наприклад, 12 тис. років тому розтанув величезний льодовиковий щит, що покривав майже всю Руську рівнину і значні простори Західної Європи та Північної Америки. Під час малого кліматичного оптимуму, який мав місце близько тисячі років тому, у льодовикового щита Гренландії була істотно менша маса, ніж нині. Такий перерозподіл води між Світовим океаном і льодовиковими щитами супроводжувалося зміною моменту інерції Землі і повинно було приводити до нерівномірності її обертання і руху полюсів.
Виходячи з цього можна скласти систему алгебраїчних рівнянь, що пов'язують величину швидкості обертання Землі і координати полюса з масами льоду в Антарктиді, Гренландії і води в Світовому океані. Ці рівняння дозволяють обчислювати характеристики обертання Землі - координати полюса і швидкість обертання Землі. Якщо ж маси льоду невідомі, але є дані про нестабільність обертання Землі, то можна вирішити зворотну задачу: за координатами полюса і швидкості обертання обчислити щорічні значення мас льоду в Антарктиді, Гренландії і води в Світовому океані. На жаль, ми не змогли зіставити ряди обчислених мас льоду в Гренландії і води в Світовому океані з даними спостережень через відсутність останніх. Лише для Антарктиди вдалося зіставити обчислену криву змін маси льоду з наблюденной (рис. 7). Якісне згоду кривих виявилося таким, що зв'язок багаторічної нерівномірності обертання Землі з флуктуаціями глобального по-дообмена здається можливою. Проте обчислені коливання глобального водообміну майже в 29 разів більше спостережуваних.
Цей суперечливий результати свідчить про те, що спостережувані десятирічні особливості обертання є не нерівномірність обертання і рух полюсів всій Землі, а лише зміни швидкості дрейфу літосфери по астеносфері. У самому справі, моменти сил одного знака, що виникають у процесі флуктуацій глобального водообміну, діють протягом десятиліть. Можливо, що лежить під літосферою речовина астеносфери при таких тривалих впливах веде себе не як тверде тіло, а тече подібно в'язкої рідини. Тоді десятирічний глобальний водообмін може викликати ковзання літосфери по астеносфері, не роблячи помітного впливу на більш глибокі шари Землі. При проведенні астрономічних спостережень зміни швидкості дрейфу літосфери реєструються як "нерівномірність обертання Землі" і "рух полюсів". Але на створення таких здаються "нерівномірностей" і "рухів" потрібні перерозподілу мас води, в 29 разів менші. На користь цієї гіпотези свідчить неодноразово відзначається кореляція сейсмічної активності з нерівномірністю обертання Землі.
Стан льодовикових щитів Антарктиди і Гренландії залежить від змін клімату. Тому флуктуації обертання Землі можуть корелювати зі змінами кліматичних характеристик та індексів. Встановлено тісний зв'язок десятирічних флуктуацій обертання Землі із змінами епох атмосферної циркуляції, коливаннями глобальної температури повітря, регіональних опадів і хмарності і навіть зі змінами уловів промислових риб в Тихому океані. Помічено, що кожному режиму обертання Землі відповідає своя форма атмосферної циркуляції і, отже, свій режим погоди в різних районах земної кулі. На рисунку 8 наведено хід змін швидкості обертання Землі, температури повітря у Північній півкулі і накопиченої суми аномалій повторюваності типу С атмосферної циркуляції за 1891-1998 рр.. Зіставлення кривих показує їх тісну кореляцію.
Отже, десятирічні флуктуації швидкості обертання Землі можуть виникати з-за обміну моментом імпульсу між мантією і рідким ядром планети. Зміни швидкості обертання рідкого ядра обумовлюють коливання швидкості обертання мантії. При цьому сумарний момент імпульсу Землі залишається постійним. З іншого боку, існує тісний зв'язок між десятирічними флуктуаціями обертання Землі та змінами кліматичних і гляціологіческіх характеристик. Але процеси в ядрі Землі не можуть впливати на зміну епох атмосферної циркуляції, флуктуації температури повітря, атмосферні опади, стан льодовиків та інші кліматичні процеси та характеристики.
Ці протиріччя усуваються, якщо припустити, що існує третя причина, одночасно впливає і на процеси в земному ядрі, і на процеси в кліматичній системі, - гравітаційна взаємодія Землі з Місяцем, Сонцем і планетами. Зокрема, тяжіння Місяцем, Сонцем і планетами несферичності, неоднорідних оболонок Землі, що займають ексцентричні положення, призводить до відносних зсувів і коливань їх центрів мас, до вимушених їх переміщенням. Комплекс виникають при цьому явищ в земних оболонках можна назвати узагальненими приливами.
З одного боку, узагальнені припливи викликають зміни в ядрі, з ними пов'язані багаторічні варіації геомагнітного поля. З іншого боку, вони зумовлюють зміни в кліматичній системі, які призводять до флуктуацій обертання Землі. У такому випадку, природно, десятирічні варіації обертання Землі будуть корелювати з усіма вищеназваними геофізичними і гідрометеорологічними процесами.
Використання даних про обертання Землі в гідрометеорології. Вивчення нерівномірності обертання Землі перспективно для вирішення обернених задач. Справа в тому, що визначати коливання глобальних характеристик атмосфери чи гідросфери значно складніше, ніж відображають їх коливань швидкості обертання Землі. Так, для того щоб обчислити момент імпульсу вітрів, необхідно зібрати дані про розподіл вітру з висотою по можливості з усіх аерологічних станцій світу, провести їх об'єктивний аналіз (інтерполяції та екстраполяції) і обчислити інтеграл за обсягом, зайнятому атмосферою. Дані ж про сезонні коливання кутової швидкості обертання Землі дозволяють легко визначати коливання моменту імпульсу вітрів майже з тією ж точністю. Для цього достатньо врахувати лише деякі відомі поправки (рис. 6).
Сезонна нерівномірність обертання Землі відображає роботу межполушарной теплової машини і може використовуватися в якості показників різниці температур, інтенсивності циркуляції повітря та обміну вологою між Північним і Південним півкулями.
Десятирічні флуктуації швидкості обертання Землі і віковий рух полюса застосовуються для розрахунку змін мас льоду в Антарктиді, Гренландії і води в Світовому океані (рис. 7).
За десятирічним флуктуацій швидкості обертання Землі можна стежити і в якійсь мірі прогнозувати коливання клімату. Справа в тому, що періоди прискорень обертання Землі (зменшення тривалості доби) збігаються з епохами негативних аномалій частоти появи атмосферної циркуляції і позитивних аномалій комбінованого типу атмосферної циркуляції. У ці періоди збільшується маса льоду в Антарктиді, слабшає інтенсивність зональної циркуляції, підвищується темп зростання температури Північної півкулі, переважають позитивні аномалії глобальної хмарності, виростають улови промислових риб в Тихому океані (рис. 8). У періоди уповільнень швидкості обертання Землі маса льоду в Антарктиді зменшується, знижується темп зростання глобальної температури, спостерігаються негативні аномалії глобальної хмарності, знижуються улови промислових риб в Тихому океані.
Як зазначалося вище, в останні 20 років надійно вимірюються приливні коливання швидкості обертання Землі. Протягом багатьох років автор вів синхронний моніторинг приливних коливань швидкості обертання Землі, еволюції синоптичних процесів в атмосфері, режимів атмосферної циркуляції і варіацій гідрометеорологічних характеристик у часі. У результаті було відмічено, що велика частина типів синоптичних процесів в атмосфері змінюється синхронно з приливними змінами кутовий швидкості обертання Землі. На ретроспективних даних автор показав, що між приливними коливаннями швидкості обертання Землі та змінами синоптичних процесів в атмосфері є статистично значуще відповідність. Природні синоптичні періоди збігаються з режимами обертання Землі. Приливні коливання швидкості її обертання обумовлені місячно-сонячними зональними приливами. Значить, і природні синоптичні періоди викликані зональними приливами. Для перевірки висновку були обчислені спектри варіацій моменту імпульсу атмосфери, які довели переважання гармонік зональних припливів. Еволюція синоптичних процесів в атмосфері відбувається не тільки за рахунок внутрішньої динаміки кліматичної системи, але і під управлінням місячно-сонячних зональних припливів. Природні синоптичні періоди обумовлені коливаннями приливних сил, а їх зміни відбуваються в моменти зміни знаку приливних сил. Завдяки цьому стало можливо прогнозувати межі природних синоптичних періодів за обчисленими приливним коливань швидкості обертання Землі з будь-якою завчасністю. Н.С. Сидоренкова і П.М. Сидоренкова створений "Спосіб прогнозу гідрометеорологічних характеристик", патент на який був зареєстрований у Державному реєстрі винаходів Російської Федерації 10 травня 2002 Наша методика прогнозування принципово відрізняється від тих, якими повсюдно користуються синоптики, і дозволяє скласти метеорологічні прогнози з добовим дозволом і на термін до одного року. Оправдиваемость таких прогнозів становить близько 75%.
Ми вважаємо, що цю методику можна використовувати і для прогнозування природних і соціальних явищ - сейсмічності, вивержень вулканів, економічних криз, спалахів епідемій, демографічних вибухів, політичних переворотів і навіть воєн. Для цього необхідний комплексний просторово-часовий аналіз різних подій за умови, що над ним будуть одночасно працювати науковці різних напрямів - медики, психологи, історики, астрономи і геофізики. Тоді можна не тільки ретроспективно виявити збіги і закономірності природно-соціальних катаклізмів, а й зробити їх імовірнісний прогноз.