Jak ovlivňují geofyzikální procesy orientaci Země v prostoru



Podobné dokumenty
VÝZKUM ROTACE ZEMĚ. minulost a současnost. Jan Vondrák, Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.

Krátkoperiodické geofyzikální excitace a jejich vliv na nutaci

5a. Globální referenční systémy Parametry orientace Země (EOP) Aleš Bezděk

Rotace Země a její sledování

Historie sledování EOP (rotace)

Dynamika rotace Země. Jan Vondrák. Země

ČASOMÍRA ROTAČNÍ ČASY FYZIKÁLNĚ DEFINOVANÉ ČASY JULIÁNSKÉ DATUM

Modelování anelastické odezvy vlastních kmitů zemětřesení v Chile 2010

Nový software VieVS na analýzu VLBI dat

Korekce souřadnic. 2s [ rad] R. malé změny souřadnic, které je nutno uvažovat při stanovení polohy astronomických objektů. výška pozorovatele

Astronomická pozorování

Základní jednotky v astronomii

pohyb hvězdy ve vesmírném prostoru vlastní pohyb hvězdy pohyb, změna, souřadné soustavy vzhledem ke stálicím precese,

7. Rotace Slunce, souřadnice

Vnitřní život krátkoperiodických exoplanet

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

Proč studovat hvězdy? 9. 1 Úvod Energetické úvahy Zjednodušení použitá při konstrukci sférických modelů Model našeho Slunce 15

spinový rotační moment (moment hybnosti) kvantové číslo jaderného spinu I pro NMR - jádra s I 0

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

Těžíc z GOPE dat: Tohoku 2011

Úvod do nebeské mechaniky

Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Úvod do nebeské mechaniky

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

Slapový vývoj oběžné dráhy. Michaela Káňová, Marie Běhounková Geodynamický seminář

1 Modelování systémů 2. řádu

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

LET Z KULOVNICE. Petr Lenhard

I. MECHANIKA 5. Otáčení tuhého tělesa III

5. Stanovení tíhového zrychlení reverzním kyvadlem a studium gravitačního pole

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

FYZIKA I. Pohyb setrvačníku. Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc. Prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. Doc. Ing. Irena Hlaváčová, Ph.D. Mgr. Art.

Dynamika soustav hmotných bodů

Přechodné děje 2. řádu v časové oblasti

Měsíc přirozená družice Země

ŠROUBOVÝ A PROSTOROVÝ POHYB ROTAČNĚ SYMETRICKÉHO TĚLESA

Jiří Brus. (Verze ) (neupravená a neúplná)

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Tuhost mechanických částí. Předepnuté a nepředepnuté spojení. Celková tuhosti kinematické vazby motor-šroub-suport.

6c. Techniky kosmické geodézie VLBI Aleš Bezděk

Vlnění. vlnění kmitavý pohyb částic se šíří prostředím. přenos energie bez přenosu látky. druhy vlnění: 1. a. mechanické vlnění (v hmotném prostředí)

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Metody spektrální. Metody molekulové spektroskopie NMR. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

2. Kinematika bodu a tělesa

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

Obr. 4 Změna deklinace a vzdálenosti Země od Slunce v průběhu roku

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Přehled veličin elektrických obvodů

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

y = 1 x (y2 y), dy dx = 1 x (y2 y) dy y 2 = dx dy y 2 y y(y 4) = A y + B 5 = A(y 1) + By, tj. A = 1, B = 1. dy y 1

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

Abstrakt: Autor navazuje na svůj referát z r. 2014; pokusil se porovnat hodnoty extrémů některých slunečních cyklů s pohybem Slunce kolem barycentra

Úvod do mobilní robotiky AIL028

Odhad změny rotace Země při změně poloměru

1. Náhodný vektor (X, Y ) má diskrétní rozdělení s pravděpodobnostní funkcí p, kde. p(x, y) = a(x + y + 1), x, y {0, 1, 2}.

I. část - úvod. Iva Petríková

lní model gravitačního pole z inverze dráhových dat družic CHAMP, GRACE a GOCE

pouze u některých typů rovnic a v tomto textu se jím nebudeme až na

Slapy na terestrických exoplanetách Michaela Káňová, Marie Běhounková

MODIFIKOVANÝ KLIKOVÝ MECHANISMUS

Diferenciální rovnice 3

TITULNÍ LIST PERIODICKÉ ZPRÁVY 2005 PROJEKTU LC506 Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

ZÁKLADNÍ EXPERIMENTÁLNÍ

Příklad 3 (25 bodů) Jakou rychlost musí mít difrakčním úhlu 120? -částice, abychom pozorovali difrakční maximum od rovin d hkl = 0,82 Å na

CW01 - Teorie měření a regulace

DIPLOMOVÁ PRÁCE OPTIMALIZACE MECHANICKÝCH

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2015

Astronavigace. Zdeněk Halas KDM MFF UK, Aplikace matem. pro učitele

úvod do teorie mechanismů, klasifikace mechanismů vazby, typy mechanismů,

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Diferenciální rovnice a jejich aplikace. (Brkos 2011) Diferenciální rovnice a jejich aplikace 1 / 36

Soustavy lineárních rovnic

9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

Téma 13, Úvod do dynamiky stavebních konstrukcí dynamiky

Lineární diferenciální rovnice 1. řádu verze 1.1

Elektronický učební text pro podporu výuky klasické mechaniky pro posluchače učitelství I. Mechanika hmotného bodu

Průhyb ocelového nosníku. Nezatížený a rovnoměrně zatížený nosník

SPŠS Č.Budějovice Obor Geodézie a Katastr nemovitostí 4.ročník MĚŘICKÝ SNÍMEK PRVKY VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ ORIENTACE CHYBY SNÍMKU

25.z-6.tr ZS 2015/2016

Statika. fn,n+1 F = N n,n+1

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

VEKTOROVÁ POLE Otázky

Fyzika - Kvinta, 1. ročník

Experimentální dynamika (motivace, poslání, cíle)

Viskoelastická deformace v geofyzikálních aplikacích

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

5. Pro jednu pružinu změřte závislost stupně vazby na vzdálenosti zavěšení pružiny od uložení

plochy oddělí. Dále určete vzdálenost d mezi místem jeho dopadu na

Přednášející: Ing. M. Čábelka Katedra aplikované geoinformatiky a kartografie PřF UK v Praze

Příčiny - astronomické přitažlivá síla Měsíce a Slunce vliv zemské rotace

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

Název: Konstrukce vektoru rychlosti

MODELOVÁNÍ. Základní pojmy. Obecný postup vytváření induktivních modelů. Měřicí a řídicí technika magisterské studium FTOP - přednášky ZS 2009/10

Nejdřív spočítáme jeden příklad na variaci konstant pro lineární diferenciální rovnici 2. řádu s kostantními koeficienty. y + y = 4 sin t.

Transkript:

Jak ovlivňují geofyzikální procesy orientaci Země v prostoru Obsah: Jan Vondrák, Česká astronomická společnost a Astronomický ústav AV ČR P Parametry orientace Země; P Stručná teorie rotace Země; P Geofyzikální excitace rotace Země obecně; P Náš příspěvek ke studiu vlivu atmosféry, oceánů a geomagnetického pole na rotaci. 1

Parametry orientace Země P Rotace Země v širším smyslu - úplná orientace tělesa (precese-nutace, pohyb pólu, vlastní rotace), ovlivněná: < Vnějšími silami (Měsíc, Slunce, planety); < Geofyzikálními vlivy (vnitřní stavba Země, přesuny hmot na rozhraní jádra a pláště, oceány, hydrosféra, atmosféra...). P Rotace Země má fundamentální význam v astronomii, zvláště při transformaci mezi nebeským a pozemským referenčním systémem, ale též v dalších aplikacích: Kosmická navigace; geofyzika; geodézie atd... 2

Parametry orientace Země Precese + nutace (odchylky nebeského pólu) Vlastní rotace (UT1, délka dne) Pohyb pólu 3

Krátký historický přehled: P precese: známá už Hipparchovi (2. stol. př. Kr.), z rozdílu ekliptikálních délek hvězd v různých epochách; P pohyb pólu: teoreticky předpovězen L. Eulerem (1765), observačně zjištěn (ze změn zeměpisné šířky) K.F. Küstnerem (Berlín, 1884/5) a potvrzen L. Weinekem (Praha, 1889/92), dva hlavní členy (365 a 430 dní) určeny S.C. Chandlerem (1891), od 1899 International Latitude Service (ILS) monitoruje pohyb pólu; P nutace: pozorovaná Bradleyem (1728) a teoreticky vysvětlená Eulerem (1748), pak následuje systematické vylepšování modelu; P změny rychlosti rotace: postupné zpomalování pohybu Měsíce pozoroval Haley (1695), později jej studoval Laplace (18. stol.), a vliv Měsíce na rotaci naznačil G. Darwin (konec 19. stol.). Až později byly pozorovány dekádové (Newcomb 1882, de Sitter 1927, Spencer Jones 1939) a sezónní (Stoyko 1950) variace. 4

Stručná teorie rotace Země Časově závislý vztah mezi dvěma referenčními systémy: xyz - rotující, spojená se Zemí XYZ - nerotující, vázaná na extragalactické objekty Z z Eulerovy úhly: ψ precesní θ θ nutační n vlastní rotace X Y ψ y n x XN 5

Časová změna momentu hybnosti H se rovná dvojici sil L, způsobené vnějšími silami (Měsíc, Slunce, planety). V rotujícím systému xyz: dh dt H L Pro netuhé těleso platí H = Cω + h (kde C je tensor setrvačnosti, ω vektor rotace, a h relativní moment hybnosti), odtud Liouvillovy rovnice: d dt ( C h) ( C h) L 6

Integrací Liouvillových rovnic dostaneme vektor rotace ω v rotujícím systému, t.j. pohyb pólu: x /, y / a relativní změny rychlosti rotace: 3 / 1 1 2 Pohyb pólu: P Volná složka pohybu pólu (Chandler wobble), pro tuhou Zemi s Eulerovou periodou = 305 dní, ale pozorovaná perioda pro reálnou Zemi = 430 dní. P Vynucené složky (většinou sezónní): < Geofyzikální vliv je dominantní, protože změny tensoru setrvačnosti C a relativního momentu hybnosti h jsou dlouhoperiodické v terestrickém systému. < Externí síly L mají minimální vliv, protože jsou krátkoperiodické. 7

Rychlost rotace: P Pro tuhou Zemi je rychlost rotace konstantní; P Pro netuhou Zemi je vliv externích a geofyzikálních sil téměř vyrovnán: < Externí síly (Měsíc, Slunce, planety) způsobují slapové tření a deformace tělesa, t.j. změny tensoru setrvačnosti (zonální složky jsou dlouhoperiodické), což způsobuje změny rychlosti rotace: Postupné zpomalování + široké spektrum period od 14 dní po 18.6 roku. < Geofyzikální vlivy dominantní půlroční a roční člen (zonální větry) + dekádové variace (změny na rozhraní jádra a pláště). 8

Poloha osy z v nerotující nebeské soustavě (úhly ψ, θ), a úhel vlastní rotace n se odvodí integrací Eulerových kinematických rovnic: sin 1sin 2 cos 1cos 2 sin cos 3 Při této integraci jsou geofyzikální vlivy potlačeny (jsou krátkoperiodické v nebeské soustavě), a externí síly jsou zesíleny (jsou dlouhoperiodické). 9

Geofyzikální vlivy na orientaci Země -rekapitulace: P Atmosféra: < Excitace Chandlerova pohybu pólu; < Vynucený pohyb pólu (tlak vzduchu); < Vynucené změny rychlosti rotace (vítr); < Excitace nutace... P Oceány: < Prodloužení Chandlerovy periody o cca 35 dní; < Excitace Chandlerova pohybu; < Vynucený pohyb pólu (sezónní, kvazi-denní); < Excitace nutace... P Viskozita pláště: < Tlumení Chandlerova pohybu; < Posun fází nutačních členů... 10

P Elasticita pláště: < Prodloužení Chandlerovy periody o cca 125 dní; < Frekvenčně závislé změny amplitud nutačních členů. P Změny na rozhraní jádra a pláště: < Dekádové změny rychlosti rotace. P Tekuté vnější jádro: < Retrográdní volná nutace jádra - Free Core Nutation (RFCN): P = 430 dní (v nebeské soustavě); < Prográdní volná rotace jádra - Free Core Nutation (PFCN): P = 1020 dní (v nebeské soustavě); < Zkrácení Chandlerovy periody o cca 30 dní; < Rezonanční efekty amplitud nutačních členů blízkých RFCN. P Tuhé vnitřní jádro: < Volná nutace vnitřního jádra - Inner Core Wobble (ICW): P = 2400 dní (v terestrické soustavě); < Rezonanční efekty amplitud nutačních členů blízkých ICW. 11

Geofyzikální excitace - náš příspěvek P Předneseno na Valných zasedáních 2015: < IUGG v Praze (C. Ron a J. Vondrák: Geophysical excitation of Earth orientation); < IAU v Honolulu (J. Vondrák a C. Ron: Earth orientation parameters: excitation by atmosphere, oceans and geomagnetic jerks). P Používáme numerickou integraci Brzezińského širokopásmových Liouvillových rovnic, platných pro zjednodušený model Země: < viskózně-elastický plášť, < tekuté jádro. 12

Brzezińského širokopásmové Liouvillovy rovnice (komplexní): V terestrické soustavě (pohyb pólu): p i( ) p p C f C f ( ) ( a a ) i ( 1 a ) ( 1 a ) C f p w C p p w w p p w w V nebeské soustavě (nutace): P i( ) P P C f C f ( ) ( a a ) i ( 1 a ) ( 1 a ) C f p w C p p w w p p w w p, P je pohyb osy rotace v terestrické a nebeské soustavě; σ C, σ f je Chandlerova a FCN frekvence v terestrické soustavě; σn C, σn f je Chandlerova a FCN frekvence v nebeské soustavě; χ p, χ w ( χn p, χn w ), jsou excitace v terestrické (nebeské) soustavě; a p = 9.200 10!2, a w = 2.628 10!4 jsou numerické konstanty. 13

Excitace (efektivní funkce momentu hybnosti) χ atmosféry (oceánů), definované Barnesem et al., 1983: P Bezrozměrné veličiny, vyjadřující excitace: < χ p (tlakový, nebo hmotový člen) vyvolaný změnami hmoty atmosféry, počítaný z měřených hodnot tlaku vzduchu na povrchu Země; < χ w (větrný, nebo pohybový člen) vyvolaný pohybem atmosféry, počítaný z měřených rychlostí větru v různých výškách. Geomagnetické jerky (GMJ): náhlé změny sekulárních změn intenzity geomagnetického pole, trvající několik měsíců až rok. Řada autorů poukázala nedávno na fakt, že náhlé změny amplitudy/fáze parametrů orientace Země nastávají poblíž epoch GMJ. 14

Numerická integrace Liouvillových rovnic P Brzezińského širokopásmové L. r. jsou diferenciální rovnice druhého řádu v komplexní formě: < Používáme standardní metodu Runge-Kutta 4. řádu, proceduru rk4 z Numerical recipies (Press et al. 1992), přepsanou do komplexní formy Namísto jedné rovnice druhého řádu používáme jednoduchou substituci k jejímu rozdělení do dvou rovnic prvního řádu, Počáteční hodnotu první derivace dp/dt(0), dp/dt(0) volíme tak, abychom se zbavili rychlého (skoro-jednodenního) prográdního pohybu, Hledáme počáteční hodnotu p(0), P(0) tak, abychom dostali nejleší souhlas s pozorovanými hodnotami pohybu pólu (odchylek nebeského pólu). 15

Použitá data (v intervalu 1989.00-2014.25): P Pohyb pólu a změny délky dne: < řešení IERS C04 s jednodenním krokem. P Odchylky nebeského pólu pozorované pomocí VLBI: < řešení IVS ivs14q1x.eops s nepravidelným krokem 1-7 dní. P Atmosférické a oceánické excitace - funkce momentu hybnosti χ 1, 2, 3 : < NCEP/NCAR (atmosféra) s krokem 6h + ECCO (oceány) s krokem 1d. P Geomagnetické jerky - kvazi-impulsové excitace o šířce 200 dní: < Epochy 1991.0, 1994.0, 1999.0, 2003.5, 2004.7, 2007.5, 2011; amplitudy takové, aby dávaly nejlepší souhlas s pozorováním. 16

Pohyb pólu [mas] IERS C04 600 500 400 300 y 200 100 0-100 -200 x -300 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 year 17

Odchylky nebeského pólu [mas] IVS 1.0 2.0 dx 0.5 0 1.5 1.0-0.5 0.5-1.0 0 dy -1.5-0.5-2.0 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 year -1.0 18

Délka dne [ms] IERS C04 4 3 2 1 0-1 -2 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 year 19

P Geofyzikální excitace: NCEP/NCAR atmosférické funkce momentu hybnosti, bez korekce IB (ekvivalentní zamrzlým oceánům) a s korekcí IB (ekvivalentní oceánům, reagujícím inverzně proporcionálně na změny atmosférického tlaku), ECCO oceánické funkce momentu hybnosti (pouze pro pohyb pólu a délku dne, pro nutaci je třeba kratší krok než 1 den), Geomagnetické jerky (GMJ). Excitace modelujeme kvazi-impulsní funkcí zvonového tvaru, centrovanou v epochách GMJ, širokou 200 dní. Amplitudy jsu odhadnuty tak, aby daly nejlepší souhlas s pozorováním. Simulovaný efekt GMJ schematic excitations 60 50 40 30 20 a t t 2 1 2 ( 0 ) cos 200 10 0 50000 50200 50400 50600 50800 51000 51200 51400 MJD 150 100 50 0-50 -100 x y integrated pole position -150 50000 50200 50400 50600 50800 51000 51200 51400 MJD 20

Výsledky - pohyb pólu (bez dlouhoperiodické části) Atmosféra s korekcí IB (+GMJ) 400 200 x 0-200 -400-600 a) NCEP IB only (rms=59.9 mas, correlation=0.932) 800 600 400 200 0-200 y -800-400 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 400 b) NCEP IB + GMJ (rms=47.6 mas, correlation=0.958) 800 x 200 0-200 -400-600 600 400 200 0 y -200-800 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015-400 21

Výsledky - pohyb pólu (bez dlouhoperiodické části) Atmosféra bez korekce IB + oceány (+GMJ) 400 200 x 0-200 -400-600 a) NCEP + ECCO (rms=77.9 mas, correlation=0.886) 800 600 400 200 0 y -200-800 -400 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 400 b) NCEP + ECCO + GMJ (rms=39.9 mas, correlation=0.971) 800 x 200 0 600 400-200 -400-600 200 0-200 y -800 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015-400 22

Výsledky - odchylky nebeského pólu Atmosféra s korekcí IB (+GMJ) 23

Výsledky - délka dne (bez dlouhoper. a slapové části) Atmosféra s korekcí IB (+GMJ) 1.5 a) NCEP IB only (0.206 ms, correlation=0.864) 1.0 0.5 0-0.5-1.0-1.5 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 1.5 b) NCEP IB + GMJ (rms=0.109 ms, correlation=0.958) 1.0 0.5 0-0.5-1.0-1.5 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 24

Výsledky - délka dne (bez dlouhoper. a slapové části) Atmosféra bez korekce IB + OAM (+GMJ) 25

Závěry 26

Závěry P Nejsme schopni nabídnout fyzikální vysvětlení mechanismu přenosu excitace od GMJ na orientaci Země, pouze demonstrujeme nápadnou shodu mezi oběma fenomény. P Je však známo, že geomagnetická vazba mezi tekutým jádrem a pláštěm Země má měřitelný efekt v rotaci Země. P Je tedy vysoká pravděpodobnost, že GMJ způsobuje náhlé změny této vazby, což se dále projeví v orientaci Země. 27