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关于地球Chandler摆动的激发

已有 583 次阅读 2020-5-17 17:26 |个人分类:科研随笔|系统分类:科研笔记

地球的北极点一直在地壳表面画圈圈,这种有趣现象叫极移,它是由美国天文爱好者Chandler首先发现的。极移的范围大约有半个篮球场那么大,若果加上长期极移,范围就更大。极移现象使得地球表面每一点的纬度时刻都在变化,由此引起定位误差。

极移中包含许多周期性现象,其中最大的周期项就是所谓Chandler摆动,其周期在433天左右。极移现象被发现后,人们很快就意识到Chandler摆动是地球自转轴的自由摆动,就像单摆有自由摆动一样,自由意味着不需要外部力矩激发也能存在。一个自转的椭球刚体肯定具有这种自由摆动,这已经由欧拉预言过了。

单摆在空气中的自由摆动肯定会逐渐走向熄灭,因为由空气的阻尼。同样,Chandler摆动也应该因阻尼走向熄灭,如果没有适当的激发的话。一百多年来,Chandler摆动的振幅起起伏伏,但从来没有熄灭过,这说明Chandler摆动一定有激发维持着它的存在。百年以来,Chandler摆动的激发问题,一直困扰着大地测量学者,原因在于显而易见的激发源(大气和海洋)中没有433天左右的力矩作用于固体地球。 时而有人说激发源是大气,时而有人说激发源是海洋,时而有人(廖新浩)说是随机激发,时而有人说周年力矩本身就是一种对Chandler摆动的激发,总之各种观点都有,莫衷一是。

后来,写出极移动力学方程的R. Gross给出一个折中的解释:Chandler摆动2/3是由海洋引起的,1/3是由大气引起。这听起来蛮有道理,但著名大地测量学家Moritz亲口对我说:“I do not believe it.”可见人们对Chandler摆动激发的争论之剧烈。

我从未加入这场关于Chandler摆动激发的争论,这并不意味着我没有立场。我先前默认的一个立场是:大气是激发源。我的研究发现大气周年激发项与海洋的周年激发项是反相位的,而大气的幅度大,这意味着海洋总是抵消了一部分大气激发。因此,在周年极移的激发上,大气是主动的,海洋是被动的。以此推理,那么在Chandler摆动的激发上,大气也应是主动的。

最近我的这一立场愈发坚定了,原因在于我看到一篇非常漂亮的硕士论文。论文中报告了高铁桥梁变形监测结果,文中的时频分析结果显示,桥梁有自由振荡周期6-7Hz,在有列车经过时这个自由振荡就显现出来,当列车离去后就渐渐消失。列车经过时的激发周期为3-4Hz。这一结果令我茅塞顿开:Chandler摆动一直存在的原因是周年激发一直存在!

从极移的动力学方程上看,只要有阻尼在,即便周年激发一直存在,Chandler摆动也会停止。然而这是假设阻尼是线性的情况,当阻尼是非线性的呢?或者说阻尼是间歇的时候呢?当阻尼是间歇的,只要周年激发一直存在,Chandler摆动就永远不会停下来,而且其振幅总是起起伏伏,难以预测。

下面说一下周年激发。极移中还有显著的周年摆动,这显然是由于存在周年激发。周年激发主要来自大气和海洋,具体的,大气中的风速、气压,海洋中的洋流和海底压力都会形成左右地球自转变化的因素。这些因素都有显著的周年变化,即所谓的周年激发。这种激发一直都存在,除非海洋干枯大气消失。

前面说过,周年激发大气是主动的,海洋是被动的。至此我们可以肯定地说:Chandler摆动的存在主要是因为周年激发的存在,在维持Chandler摆动过程中,大气是主动的,海洋是被动的。另外,Chandler摆动的阻尼应是非线性的或者说是间歇的。

Chandler摆动的激发是百年难题,对这一问题的争论不会停止。我在此献上自己的理解,让这一争论保持温度,也让读者感受一下其中的温度。

地球是有趣的。




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