4.2. Учёт движения земных полюсов

До сих пор не существует удовлетворительной аналитической теории движения земного полюса, поэтому ещё в 1899 году Международная ассоциация геодезии организовала Международную службу широты (МСШ) для изучения явления движения полюса. В первые годы существования МСШ движение полюса определялось по непрерывным рядам наблюдений широты способом Талькотта на станциях Мицузава (Япония), Чарджоу (Туркменистан) (из-за разливов реки Аму-Дарьи эта станция прекратила своё существование и была перебазирована в Китаб (Узбекистан) в 20-е годы XX века), Карлофорте (Италия), Юкайя, Гейтерсберг (США), расположенных на одной и той же параллели 3908N. В наблюдениях принимала участие также станция Цинциннати (США), расположенная на этой же параллели. Усредненное положение земного полюса за период с 1900 по 1905 годы было принято за среднее положение земного полюса и названо Международным условным началом (МУН). Шестилетний промежуток для осреднения выбран по той причине, что он содержит целое число Эйлеровых (305 суток) и Чандлеровых (428 суток) периодов в движении полюса. Реальное положение МУН задавалось назначением широт станций МСШ.

В 1961 году МСШ была реорганизована в Международную службу движения полюса (МСДП), а в 1988 году - в Международную службу вращения Земли (МСВЗ, IERS), которая в 2003 году была переименована в Международную службу вращения Земли и референцных систем. МСВЗ продолжает работу, начатую МСШ и МСДП в духе времени, расширив сеть станций, участвующих в наблюдениях, почти до 50 и привлекая новые способы наблюдений.

Одна из задач, решаемых МСВЗ, это установление координат мгновенного полюса Земли x_p, y_p, которые являются координатами Небесного промежуточного полюса относительно Условного земного полюса (УЗП). Понятие Условного земного полюса является «преемником» по отношению к понятию Международного условного начала.

Усредненное на некотором интервале времени положение УЗП обычно выбирается так, чтобы он находился недалеко от положения промежуточного полюса. Ось x_p направлена по касательной к начальному меридиану, а ось y_p - под углом 90 на запад (рис. 4.2). Средние квадратические погрешности определения x_p, y_p по данным МСВЗ составляют 0,0003.

В движении оси вращения Земли в земной системе координат выделяют свободные и вынужденные колебания. Период свободных колебаний (Чандлеров период), амплитуда порядка 0,4 (12 м), вынужденные колебания с периодом в один год возникают из-за сезонных перемещений масс в атмосфере и океанах, их амплитуда около 0,15 (4 м). Существуют также вынужденные колебания из-за влияния приливов и других геофизических факторов с суточными и полусуточными периодами и с амплитудой около 0,5 м. Преобладающие в них лунно-солнечные эффекты могут хорошо моделироваться в координатах полюса и всемирном времени UT1. Кроме периодических колебаний ось вращения Земли имеет и небольшое вековое движение со скоростью 0,0037/столетие в направлении на запад. Это явление пока не получило удовлетворительного научного объяснения. Описываемая мгновенным полюсом кривая называется полодией.

Параллельно с МСДП определением положения полюса до 1988 года занималось Международное бюро времени (МБВ, BIH), в настоящее время вошедшее в состав МСВЗ. В СССР и затем в России определение координат полюса входит в задачи Госстандарта СССР (РФ), который выводит, прогнозирует и публикует свои значения, несколько отличающиеся от системы МСВЗ. Для их вывода Госстандарт России использует радиодальномерные наблюдения спутников ГЛОНАСС, доплеровские наблюдения спутника Гео-ИК и данные астрооптических наблюдений обсерваторий России и ряда других стран. Средние квадратические погрешности определения координат полюса Госстандартом РФ составляют 0,002.

Итак, различие в ориентировке мгновенной и средней геоцентрических гринвичских систем координат вызвано движением земных полюсов.

Z

УЗП

y

x

Y

X

Рис. 4.2. Прямоугольная система координат xy для задания положения мгновенного полюса относительно среднего полюса

Если ориентировку осей мгновенной системы координат относительно средней системы координат задать углами Кардано , то преобразование координат произвольной точки, заданной в мгновенной гринвичской системе координат к средним гринвичским координатам относительно системы координат OXYZ осуществляется посредством двух поворотов. Математически эти преобразования с учётом малости углов записываются в виде

. (4.1)

Практически положение мгновенного полюса Земли относительно среднего полюса Земли в настоящее время принято задавать в плоской прямоугольной системе координат xy, при этом начало системы координат совпадает с положением среднего полюса Земли, ось абсцисс направлена по касательной к среднему начальному меридиану, ось ординат - под прямым углом к западу (рис. 4.2). Из-за малости углов Кардано можно принять, что . Тогда

. (4.2)

Матрицу называют матрицей движения полюса. Первоначально координаты полюса вычисляли по результатам астрономических наблюдений звёзд методом Талькотта на обсерваториях МСШ из решения по методу наименьших квадратов уравнений вида

,

где - разность между известной средней астрономической широтой обсерватории и мгновенной астрономической широтой обсерватории, полученной из обработки выполненных наблюдений.

В настоящее время координаты полюса вычисляют по результатам лазерных наблюдений ИСЗ и Луны, доплеровских наблюдений ИСЗ и радиоинтерференционных наблюдений квазаров.

Координаты мгновенного полюса Земли относительно среднего полюса регулярно публикуются в специальных бюллетенях.