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Meccanica celeste Sole-Luna-Terra = Moto dei poli terrestri (Chandler wobble) e QBO

QBO, Risonanze planetarie, Sole e Clima, Stratosfera

L’oscillazione chandler dei poli e la sua modulazione in ampiezza

di Nikolay S.Sidorenkov

Hydrometcentre of Russian Federation
B. Predtechensky pereulok, 11-13, Moscow 123242, Russia

 

Abstract

E’ dimostrato che il periodo dell’oscillazione di Chandler dei poli (CWP) è una combinazione di oscillazioni causate da tre processi periodici che incontra la Terra:

  • (a) maree luni-solari,
  • (b) la precessione dell’orbita di rivoluzione mensile terrestre intorno al baricentro del sistema Terra-Luna,
  • (c) il moto del perigeo di questa orbita.

L’aggiunta dell’oscillazione siderale, anomalistica, e sinodica lunare pari a 1,20 anni, all’oscillazione di Chandler, dà luogo a lente variazioni periodiche di ampiezza della CWP con periodi da 32 a 51 anni.

Nota teorica :

http://legacy.ingv.it/roma/attivita/geomagnetismo/fisicainterno/sismicita/chandler.html

http://legacy.ingv.it/roma/attivita/geomagnetismo/fisicainterno/sismicita/oscillazione.html

"... Il Chandler wobble è un'oscillazione libera del polo di rotazione con un periodo di circa 14 mesi (434 giorni approssimativamente).L’esistenza di quest’oscillazione (wobble) va ricercata nella forma irregolare del nostro Pianeta e nel fatto che esso ruoti intorno ad un asse non allineato con l’asse d’inerzia terrestre. Questo mancato allineamento fa si che la Terra subisca un’oscillazione insieme alla rotazione. Visto dall’alto, il polo di rotazione descrive un moto approssimativamente circolare attorno ad un punto noto come "polo medio di rotazione".Tale moto quasi-circolare, noto come "oscillazione di Chandler" necessita di una sorgente di eccitazione per continuare ad esistere, altrimenti si estinguerebbe, a causa dell’imperfetta elasticità del mantello terrestre.....Sebbene le caratteristiche dell'oscillazione di Chandler siano state chiare sin dal principio, non altrettanto chiare apparivano le cause della sua eccitazione, almeno fino ad oggi. Basti pensare che la ricerca di queste cause ha animato il lavoro di gruppi di ricercatori sin dalla sua scoperta nel 1891 (Chandler, 1891) producendo un acceso dibattito scientifico.
 L'idea base mette in relazione le cause di quest'oscillazione a variazioni dell'inerzia terrestre prodotte da movimenti di grandi masse sulla superficie ed all'inteno della Terra (acquiferi, oceani, atmosfera, moti nel mantello, etc.), in queste cause sono stati inclusi anche i terremoti, che possono potenzialmente variare l'inerzia della Terra....Una risposta risolutiva a questi interrogativi, ancora non condivisa da tutti, proviene oggi dagli studi condotti da Richard Gross e pubblicati recentemente (grl, 2000). Gross (2000) afferma che gran parte del mantenimento dell'oscillazione di Chandler sia dovuto alle variazioni di pressione che si generano sui fondali oceanici, e di un piccolo contributo dovuto alla combinazione di processi oceanici ed atmosferici.Sembra così risolto il quesito sulle cause dell'oscillazione di Chandler, se così è sarebbero stati necessari a questo scopo un secolo di studi...."

Chandler1. Introduzione

E’ ben noto, che la Terra e la Luna ruotano intorno al loro centro di massa (baricentro) con un periodo siderale di 27,3 giorni. L’orbita del centro di massa della Terra (geocentro) è geometricamente simile all’orbita della Luna, ma la dimensione dell’orbita è di circa 1/81 più grande di quest’ultima. Il geocentro è (in media) a 4671 km di distanza dal baricentro. Nella rotazione della Terra intorno al baricentro, tutte le particelle costituenti tracciano le stesse orbite non concentriche e subiscono le stesse accelerazioni centrifughe come l’orbita e l’accelerazione del geocentro. La Luna attrae diverse particelle della Terra con una forza diversa. La differenza tra le forze di attrazione e quelle centrifughe agenti su una particella è chiamata forza di marea. La rotazione del sistema Terra-Luna attorno al Sole (Fig. 1) porta a maree solari. Il totale delle maree lunisolari variano con un periodo di 355 giorni (13 mesi siderali o 12 mesi sinodici). Questo periodo è conosciuto come l’anno lunare, o di marea.

Fig 1

Figura 1: Rivoluzione del sistema Terra-Luna attorno al Sole

I nodi lunari, nel loro moto di precessione verso ovest intorno all’eclittica, completano una rivoluzione in 18,6 anni. Mentre, il perigeo lunare si muove verso est, completando una rivoluzione in 8,85 anni. A causa di questi movimenti opposti, un nodo incontra un perigeo esattamente in 6 anni.

2. L’oscillazione quasi biennale – QBO –

Nei miei libri (Sidorenkov 2002, 2009) è stato dimostrato che la Terra, l’oceano, e l’atmosfera presentano oscillazioni consistenti, che si influenzano a vicenda, vale a dire, le oscillazioni congiunte avviate dalle maree si verificano nel sistema Terra-oceano-atmosfera. Manifestazioni visive di queste oscillazioni sono l’oscillazione dei poli della Terra, El Nino e La Nina nell’oceano, e la Southern Oscillation e l’oscillazione quasi-biennale in atmosfera. L’oscillazione dei poli è il movimento di rotazione quotidiano dell’asse terrestre all’interno del corpo della Terra. L’oscillazione quasi biennale (QBO) è un’oscillazione quasi periodica del vento zonale equatoriale, tra venti orientali e venti occidentali nella stratosfera tropicale con un periodo medio di 28 mesi.

La figura 2, mostra lo spettro del movimento delle coordinate, del polo x (in alto) e gli indici di QBO (in basso). Una caratteristica sorprendente è che lo spettro dell’indice QBO è simile con un fattore di 2 a quello di coordinate del polo x e y.  Dove la scala orizzontale nello spettro delle coordinate del polo è raddoppiata come mostrato in Fig. 2. Quindi tutti i dettagli dello spettro degli indici QBO coincidono con quelli dello spettro del movimento polare; cioè l’oscillazione nel moto polare riflette il periodo raddoppiato della QBO nell’atmosfera. Nella stratosfera equatoriale, la durata dei cicli di movimento polari della Terra è raddoppiato.

Fig 2Figura 2: Spettro di potenza del polo, coordinata x (in alto) e gli indici di QBO (in basso). Per dimostrare la somiglianza delle curve, la curva del polo è stata trasformato nel modo seguente: T = 2T0 e S = 30S0 + 2600, dove T0 e S0 sono i valori effettivi dei periodi T e densità spettrale S, rispettivamente.

Questi fatti testimoniano che l’oscillazione di Chandler dei poli e la ciclicità QBO dei venti stratosferici sono suscettibili di avere un comune meccanismo di eccitazione che è dovuto ai processi geodinamici del sistema Sole-Terra-Luna. Il meccanismo di eccitazione della QBO viene associato con l’assorbimento delle onde di marea lunisolari nella stratosfera equatoriale. Il periodo QBO è uguale a una combinazione lineare delle frequenze corrispondenti ai periodi raddoppiate dell’anno corrente (0,97 anno), della regressione del nodo lunare (18,6 anni), e del moto del perigeo lunare (8,85 anni) dell’orbita mensile terrestre:

Fig.3In altre parole, l’oscillazione quasi-biennale – QBO- della direzione del vento nella stratosfera equatoriale è una combinazione di oscillazioni causate da tre processi geodinamici periodici sperimentati nell’atmosfera: maree luni-solari, la precessione dell’orbita di rivoluzione mensile della Terra attorno al baricentro del sistema Terra-Luna, e il moto del perigeo di questa orbita.

3. Chandler wobble dei poli

L’oscillazione dei poli della Terra e la QBO nell’atmosfera hanno spettri simili (con il rapporto dei periodi che sono 1:2 (Sidorenkov 2002, 2009). Il periodo dell’oscillazione Chandler dei poli (CWP) si crede essere differente dal periodo Eulero di 305 giorni a causa delle proprietà elastiche della Terra. Tuttavia, è improbabile che sia fisicamente la QBO e CWP sono causate dalle caratteristiche della struttura interna della Terra. Un presupposto naturale è che la QBO e la CWP hanno una sola causa, vale a dire, le caratteristiche della rivoluzione mensile della Terra nel sistema Terra-Luna e la rivoluzione di questo sistema attorno al Sole. La forzatura del wobble con un periodo solare di 365.24 giorni è modulata dalla precessione dell’orbita mensile della Terra con un periodo di 18,61 anni e dal movimento del perigeo con un periodo di 8,85 anni. Infine, il risultato, con il forcing solare (anno) genera oscillazioni polari con un periodo di Chandler di 1,20 anni:

Fig.4La modulazione di ampiezza di CWP è chiaramente esposto con un periodo di circa 40 anni. È noto che le funzioni OAM AAM e sono in grado di rappresentare circa il 90% dell’eccitazione CWP richiesta. Questa eccitazione si crede che avvenga alla frequenza fondamentale del sistema forzante climatico con un periodo di 365,24 giorni. Tuttavia, è stato dimostrato in lavori più recenti dell’autore che, oltre a costringere questa base, il sistema climatico sperimenta un’ulteriore forcing causato da variazioni della nuvolosità
con periodi lunari anni (http://geoastro.ru). Caratteristiche climatiche e componenti equatoriali del momento angolare atmosferico h2 sono stati trovati ad oscillare con un periodo di 355 giorni (Sidorenkov, 2009; Sidorenkov e Sumerova, 2012a, 2012b). La forzatura di wobble con un periodo lunare anno di 355 giorni (13 mesi tropicali) è modulata dalla precessione dell’orbita mensile della Terra con un periodo di 18,61 anni e dal movimento del perigeo con un periodo di 8,85 anni. Infine, il conseguente “anno lunare tropicale” genera una oscillazione polare con un periodo di 1,16 anni:

Fig.5L’interferenza di 1,20 anni e 1,16 anni nell’oscillazione di Chandler comporta battute, cioè variazioni periodiche di ampiezza wobble polare con un periodo di 35,3 anni :

Fig.6Allo stesso modo, l’anno sinodico lunare (12 mesi sinodici) deve eccitare l’oscillazione polare con un periodo di 1,1574 anni :

Fig.7L’interferenze di questa eccitazione e la CWP generano battimenti con un periodo di 32,6 anni. L’eccitazione “dell’anomalistico anno lunare” (13 mesi anomalistici) è in grado di generare una oscillazione polare con un periodo di 1,172 anni :

Fig.8L’nterferenza di questa oscillazione con la CWP può generare battute con un periodo di 50,9 anni :

Fig.9Così, l’interferenza della CWP (periodo di 1,20 anni) con questi lunghi battimenti o oscillazioni lunari causa un rallentamento delle variazioni periodiche dell’ampiezza della CWP con periodi di 32 a 51 anni. Queste sono state osservate nella realtà.
4. Riferimenti

– Sidorenkov, NS, 2002 \ Fisica Instabilità rotazione della Terra “, Mosca:. Nauka, 384 pp (in russo)
– Sidorenkov, NS 2009, \ L’interazione tra la rotazione della Terra e dei processi geofisici “, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
– Sidorenkov, NS, Sumerova, KA, 2012a, \ Temperatura fluttuazione Beats come motivo per l’anomalo calda estate del 2010, nella parte europea della Russia “, russo Meteorologia e Idrologia, 37 (6), pp. 411-420.
– Sidorenkov, NS, Sumerova, KA, 2012b, \ cause geodinamici dei cambiamenti climatici decennio “, Proc.Hydrometeorological centro della Russia, Vol. 348, pp. 195-214.

 

Fonte : http://syrte.obspm.fr/jsr/journees2014/pdf/Sidorenkov.pdf

GEOS-5, previsione ed analisi del maggiore stratosferico warming improvviso del Gennaio 2013

Stratosfera

Riscaldamenti improvvisi stratosferici (SSWs) sono una caratteristica onnipresente del flusso invernale nell’emisfero settentrionale. Scoperto più di 60 anni fa (Sherhag, 1952) quando le osservazioni radiosonde hanno cominciato a fornire osservazioni di routine ad altitudini superiori a 20 km sopra la superficie della terra, questi eventi prendono il loro nome da un rapido aumento della temperatura di diverse decine di gradi Kelvin in pochi giorni nelle alte latitudini settentrionali. Dalla scoperta iniziale di questo riscaldamento, osservazioni radiosonde di routine e set di dati satellitari sono stati utilizzati per costruire un quadro abbastanza completo della natura dinamica di questi eventi, che sono causati dalla propagazione e l’evoluzione del moto ondoso su scala planetaria nella troposfera e nella stratosfera. Un grande evento SSW in pieno inverno si verifica quando le temperature stratosferiche polari aumentano di almeno 25 gradi Kelvin in una settimana, e il vento zonale zonale-medio o vicino a 10 hPa (a circa 30 km di altitudine) inverte la direzione e diventa a nord est di 60 ° N. Le ricerche hanno portato ad una buona documentazione sulla frequenza e la stagionalità degli improvvisi riscaldamenti: poco più della metà degli inverni dal 1960 hanno sperimentato un evento di riscaldamento in gennaio o in febbraio (ad esempio, Charlton e Polvani, 2007). L’evento ai primi di gennaio 2013 non è così atipico, ma, come tutti questi eventi, ha caratteristiche dinamiche uniche in termini di sviluppo e di interazione con il flusso troposferico.

I recenti progressi nell’analisi GEOS-5 e sistema di previsione presentano una opportunità unica per esaminare l’evento SSW di gennaio 2013 ad un livello di dettaglio che non era possibile solo pochi anni fa. La configurazione del GEOS-5 atmosferica modello di circolazione generale (AGCM) qui utilizzato ha 72 strati che si estendono dalla superficie della terra fino a 0,01 hPa, o circa 80 km di altitudine, nella mesosfera superiore. Radiance osservazioni dai satelliti assimilati nel sistema GEOS-5 prevedono vincoli meteorologici di analisi fino a circa 50 chilometri, vicino alla stratopausa. Inoltre, l’analisi di GEOS e l’assimilazione avviene attualmente eseguito su una griglia orizzontale con punti ogni 0.25 ° in latitudine e 0,3125 ° in longitudine.

Figura 1.

Distribuzione dei EPV a 7 hPa il 24 dicembre 2013, prima del vento si è verificato. Il campo è EPV dal sistema GEOS-5 assimilazione dei dati, e mostra EPV nei potenziali unità di vorticità (PVU, 10 -6 K Kg -1 m 2 s -1). L’ombreggiatura indica le regioni di alta EPV, tipica del vortice polare, in bianco, e le regioni a bassa EPV, tipica di masse d’aria tropicali, in tonalità più scure

Figura 2.

Come mostra la Figura 1, ma per il 7 gennaio 2013, che mostra la ripartizione del vortice polare in tre vortici più piccoli.

La figura 1 mostra la mappa di vorticità potenziale di Ertel (EPV), una misura della rotazione del flusso che prende anche la rotazione della Terra e stabilità statica in considerazione, a 7hPa (circa 35 km di altitudine) il 24 dicembre 2012. Le regioni profonde bianco rappresentano un’alta EPV e rappresentano un forte, allungato del vortice polare sull’Europa settentrionale e Asia, con una “coda” di aria convogliata dal vortice principale, che si avvolge intorno alle latitudini settentrionali e circoscritto il palo. Nei giorni successivi, le analisi di GEOS-5 hanno mostrato il vortice di distorsione e di rottura, coincidente con l’aumento delle temperature polari a 10 hPa. Entro 7 Gennaio 2013, il taglio del vortice polare originale dai venti ha generato tre piccoli vortici, interconnessi (Figura 2), che si trova sopra il Canada, nel nord Eurasia e Siberia nordorientale. Il 14 gennaio, il più debole di questi vortici (sopra la Siberia) è scomparso (vedi figura 3). In questo momento, il vortice si trova sopra il Canada era più forte della coppia, ma con bassi valori di EPV rimanente sul polo, la stratosfera alle alte latitudine era ancora su un caldo molto anomalo. Un ulteriore allungamento e tranciatura dei vortici si è poi verificato, ed ha portando ad una situazione con dei vortici polari non ben formati per diversi giorni.

Il 22 gennaio, come visibile in figura 4, il flusso sembrava riorganizzazione, con uno sviluppo di una ampia regione di circolazione ciclonica vicino al polo.

Figura 3.

Come mostra la Figura 1, ma per il 14 gennaio 2013, con un grande vortice si è formano sopra il Canada.

Figura 4.

Come mostra la Figura 1, ma per 22 gennaio 2013, in questa analisi si mostra lo sviluppo di un ampio flusso ciclonico, probabilmente a significare la formazione di un nuovo vortice polare e la fine dell’evento.

L’animazione di questi dell’emisfero settentrionale campi EPV dalle GEOS-5 analisi atmosferiche mostra l’evoluzione di questo importante SSW di gennaio 2013. Il film inizia a metà dicembre 2012 e prosegue attraverso le varie fasi della manifestazione del riscaldamento, fino alla fine di gennaio. L’animazione include un fotogramma, ogni tre ore di assimilazione di GEOS-5. Cominciando a metà dicembre, a bassa aria EPV (colore scuro) può essere visto in arrivo da latitudini più basse e di essere trascinato nel flusso polare, generando una circolazione anticiclonica che interrompe il vortice polare. Evidente l’animazione sono la distorsione vortex prima il riscaldamento e la ripartizione associato al cambiamento di direzione del vento intorno al 6 gennaio, quando l’evento è stato ufficialmente classificato come uno dei principali SSW. Visto anche la successiva natura instabile del flusso nei giorni successivi, che rimasero fortemente disturbati, fino alla fine di gennaio.

Animazione: GEOS-5 analisi della distribuzione delle EPV (in PVU) nell’emisfero settentrionale. Dalle 00Z del 15 dic 2012 alle 21Z del 28 gennaio 2013. Come nelle altre figure EPV qui presentati, le sfumature più chiare rappresentano le regioni ad alta EPV, mentre le tonalità più scure rappresentano le regioni a basso EPV.

http://gmao.gsfc.nasa.gov/researchhighlights/SSW/epv_7mb_20121215_20130128.m4v

Insieme con le quattro analisi quotidiane, due previsioni a cinque giorni, inizializzate a 00Z e 12Z, sono state prodotte utilizzando il GEOS-5 AGCM. La valutazione di queste previsioni nella stratosfera ha rivelato che GEOS-5 era in grado di predire l’insorgenza e l’evoluzione della manifestazione SSW bene, anche catturando i modelli di flusso distorti con una certa precisione fino a quattro-cinque giorni di anticipo. Ad esempio, la previsione di cinque giorni lanciata il 2 gennaio 2013 alle 12Z, ha cominciato a visualizzare il cambiamento sostanziale nel vento e la temperatura nella stratosfera superiore. Tale previsione ha previsto che entro il 7 gennaio, la temperatura nella stratosfera polare a 10hPa, aumentasse di oltre 40 gradi Kelvin, ed i venti alle alte latitudini che avrebbero potuto invertire la direzione. Come si può vedere nella serie temporale in Figura 5, questa previsione è stata verificata, e nella sezione a 10 hPa temperatura a latitudini polari dal GEOS-5 analisi mostra che il modello era in grado di prevedere l’aumento delle temperature stratosferiche polari molto realisticamente . Inoltre, il profilo di previsione a 60 ° N corrisponde esattamente al profilo di analisi nella stratosfera e i venti a 10hP mostrano una buona concordanza tra le previsioni e l’analisi allo stesso tempo (vedere Figura 6) .

Figura 5.

Serie temporale osservata (quadrati rossi) e di previsioni a cinque giorni (quadrati blu) di temperatura, in Kelvin, a 10 hPa nelle latitudini polari. Ogni linea grigia tracciata collega un’analisi (quadrato rosso) alla previsione (quadrato blu) è inizializzato cinque giorni prima.

Figura 6

Sezione della previsione (blu) e le analisi osservazionali (rosso e verde) delle temperature stratosferiche (K, sinistra) e venti zonali (m/s, al centro), e il profilo dei venti zonali (m/s, a destra ) 12Z del 2 Gennaio 2013 (condizioni degli spettacoli di pre-riscaldamento) e i venti e temperature 12Z del 7 gennaio 2013 mostrano che la previsione 12Z del 2 gennaio, con 5 giorni di anticipo ha lavorato molto bene. Si noti la scala logaritmica alla destra.

Coerentemente con SSWs, GEOS-5 meteorologiche anche che il vortice polare potrebbe rompersi, e la previsione di cinque giorni valido 12Z del 7 gennaio predetto che i tre vortici più piccoli visto nelle analisi in quel momento formerebbero. I vortici di previsione formate vicino a dove sono apparsi nelle analisi, ed erano molto simili nella forma a quelli osservati. L’eccezione è il vortice eurasiatico, che, come si vede nella Figura 7, era più allungata in realtà quanto non fosse in previsione di cinque giorni. Nella Figura 8, la previsione di cinque giorni di EPV valido 12Z del 14 gennaio raffigura due vortici, la più grande e più forte delle quali è il Canada. Questa previsione è anche molto simile all’analisi dello stesso tempo, se il vortice più piccolo è più debole nell’analisi, e leggermente ovest della sua posizione previsione. La previsione di cinque giorni valido 12Z del 17 gennaio (vedi Figura 9) mostra che GEOS-5 è stato in grado di prevedere che il flusso stratosferico nei poli era ancora in movimento, come l’aria EPV inferiore può essere visto entrare il flusso e disturbare l’ grande vortice che si era formata sul Canada.

Figura 8.

Come in figura 1, per il 14 gennaio 2013. GEOS-5 analisi a sinistra, e la previsione di cinque giorni a destra.

A causa dei tempi di questo grande evento di riscaldamento all’inizio del gennaio del 2013, vi è ampio spazio per un vortice polare per ristabilire nella regione polare, con un ritorno alle basse temperature si avvicinano al palo. Anche se le previsioni di GEOS-5 di cinque giorni, a partire dal 25 gennaio 2013, ancora prevedono un modello di flusso disturbato alle alte latitudini nella stratosfera, stanno cominciando a mostrare la ricostruzione di un vortice polare ad altitudini più elevate. Un raffreddamento lento insieme con la creazione di un nuovo vortice polare sono caratteristiche tipiche di SSWs a metà inverno.

Figura 9. Come in figura 1, per il 17 gennaio 2013. GEOS-5 analisi a sinistra, e la previsione di cinque giorni a destra.

In sintesi, la risoluzione del quarto grado di GEOS-5, analizzate raffigurano la distorsione e la ripartizione del vortice polare stratosferico, nel gennaio del 2013, ha un grado di dettaglio che non ha precedenti. La precisione delle analisi e l’integrità del sottostante modello GEOS-5 portano ad una previsione di successo di questo evento SW fino a cinque giorni di anticipo, con lo spostamento iniziale del vortice seguito dalla sua ripartizione dinamica in tre vortici più piccoli. Le routine previsionali di GEOS-5 attualmente finiscono a cinque giorni, quindi questo lavoro suggerisce che le estensioni al di fuori di 10 giorni offrirebbero valore per gli studi futuri della stratosfera.

Riferimenti:

Charlton, AJ, e LM Polvani, 2007: Un nuovo sguardo ai Warming improvvisi stratosferici. Parte 1:. Climatologia e modellazione Benchmark J. Clima, 20, 449-469

Fonte : http://gmao.gsfc.nasa.gov/researchhighlights/SSW/

Michele