ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИНКЛИНОМЕТРЫ: ПРЯМОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ СУТОЧНЫХ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ УКЛОНЕНИЙ ОТВЕСНЫХ ЛИНИЙ
А.А.Гришаев, независимый исследователь
Краткая предыстория вопроса.
Феномен суточных вращательных уклонений отвесных линий многократно проявлялся на опыте – однако, до сих пор он проявлялся косвенно.
По-видимому, впервые с этим феноменом столкнулись ещё в конце XIX века, при астрооптических определениях широт – когда привязка к местной отвесной линии осуществлялась с помощью т.н. ртутного горизонта. «Когда начались массовые наблюдения за изменяемостью широт… выяснилось, что в среднем значения широт по вечерним группам [звёзд] систематически отличаются от широт, выведенных по группам утренним… существуют суточные колебания в наблюдённых зенитных расстояниях с амплитудой 0.²16 » [1]. Далее, поразительные результаты опубликовал А.Я.Орлов, который в 1909 г. (!) исследовал горизонтальные вариации силы тяжести с помощью маятников Цельнера. Такой маятник представляет собой стерженёк с грузиком на одном конце, зафиксированный горизонтально с помощью двух струнных растяжек, из которых нижняя прикреплена к свободному концу стерженька, а верхняя – к точке, немного отстоящей от свободного конца. Это бесхитростное устройство практически не реагирует на вертикальные возмущения силы тяжести, но обладает высокой чувствительностью к горизонтальным возмущениям. А.Я.Орлов разделил лунный и солнечный вклады – в обоих суточная компонента сильно доминирует [2] (см. график в [3]). В дальнейшем, суточные эффекты с очевидностью проявлялись в высокоточных геодезических, гравиметрических и сейсмометрических измерениях. Так, Рыков приводит кривые показаний электронного сейсмометра [4] – которые чётко демонстрируют суточные волны.
Добавим, что обнаруживался не только сам факт суточной «болтанки» местных вертикалей, но и корреляция между размахом этой «болтанки» и фазами Луны. Так, «дрейф нуля сейсмометра, установленного в Ленинграде, подобен дрейфу нуля гравиметра, установленного под Алма-Атой… Такое подобие показаний приборов разной конструкции не может быть объяснено ни аппаратурной погрешностью, ни локальными процессами… автор сделал заключение о наличии неприливной вариации, обусловленной каким-то глобальным процессом. Мы обратили внимание, что временной ход этой глобальной вариации коррелирует с лунными фазами » [5]. Был сделан вывод о «глобальной неприливной вариации с амплитудой порядка 30×10-6 см/с2 и с цикличностью, соответствующей смене лунных фаз (синодическому месяцу)» [5].
Таким образом, предмет данной статьи, т.е. прямое обнаружение суточных вращательных уклонений местной отвесной линии и поведения этих уклонений на протяжении синодического месяца, не следует рассматривать как открытие – поскольку всё это было открыто ещё до нас. Но почему об этом имеется ничтожное количество упоминаний в публикациях? Потому что суточные вращательные уклонения отвесных линий, а, значит, и суточные вариации горизонтальных компонент силы тяжести, никак не следуют из закона всемирного тяготения – который предсказывает вариации с периодом не в сутки, а в половину суток. На этом догмате выстроены целые научные отрасли – теория приливов, геодинамика, гравиметрия – которые до сих пор благополучно существуют, игнорируя экспериментальные реалии.
В данной статье мы постараемся привести в согласие теорию с экспериментом.
Теория суточных вращательных уклонений отвесных линий.
Во множестве учебников написано, что, в идеализированном случае, при котором Мировой океан покрывал бы всю поверхность Земли, тяготение Луны формировало бы в Мировом океане приливный эллипсоид, один горб которого смотрел бы в сторону Луны, а другой – в противоположную сторону. Из-за суточного вращения Земли, горбы приливного эллипсоида перемещались бы по земной поверхности, давая за сутки два максимума и два минимума уровня воды в каждом пункте. По определению, нормаль к поверхности приливного эллипсоида, в каждой её точке, задаёт направление местной отвесной линии – отсюда можно видеть, что вариации горизонтальных компонент силы тяжести в каждом пункте имели бы полусуточную периодичность.
В действительности же, в Мировом океане нет никакого приливного эллипсоида. Движение его горбов означало бы перетекание колоссальных масс воды из океана в океан – чего не наблюдается. Вместо этого, каждый океан разделён на области, в которых приливные явления протекают автономно. В каждой такой области вращается поверхность уровня, несколько наклонённая к горизонту – как в тазике с водой, который двигают по полу круговыми движениями. При этом максимум и минимум уровня последовательно проходят по всему периметру области. Это и есть фактическая картина приливных явлений, честно описанная в учебниках по океанографии. А генераторами вращающихся приливных волн являются вращательные уклонения местных отвесных линий – ведь именно к этой линии стремится стать ортогональной поверхность уровня воды. Примечательно, что фактическая картина приливных явлений убедительно свидетельствует именно о суточной периодичности уклонений отвесных линий: в открытых океанах, т.е. на 75% площади Мирового океана, безраздельно властвуют суточные приливы. Полусуточные приливы наблюдаются в окраинных морях – и есть основания полагать, что там происходит не что иное, как возбуждение второй гармоники (а в некоторых небольших и неглубоких водоёмах, например, в Кандалакшском заливе Белого моря, приливы имеют четвертьсуточный период).
Как можно видеть, фактическая картина приливов никак не следует из закона всемирного тяготения. Хуже того: океанские приливы никоим образом не могут порождаться тяготением Луны. Ведь благодаря уже первым полётам советских и американских космических аппаратов к Луне достоверно известно: тяготение Луны, вопреки закону всемирного тяготения, действует лишь в небольшой окололунной области, примерно до 10000 км от поверхности Луны [6]. Поскольку расстояние между Землёй и Луной составляет около 384000 км, область действия тяготения Луны далеко не достаёт до Земли. Поэтому кинематика пары Земля-Луна является следствием того необычного обстоятельства, что земное тяготение на Луну действует, а лунное тяготение на Землю – нет. В самом деле, на опыте отнюдь не подтверждается предсказание закона всемирного тяготения о том, что по орбите вокруг Солнца должен двигаться центр масс пары Земля-Луна, а сами Земля и Луна должны обращаться в противофазе около этого центра масс, положение которого должно быть смещено из центра Земли в сторону Луны на 4670 км, т.е. примерно на ¾ радиуса Земли. Если имело бы место обращение Земли, с радиусом 4670 км и периодом в синодический месяц, около названного центра масс, то это обращение проявлялось бы как пара ортогональных одномерных синодических колебаний – вдоль и поперёк местного участка невозмущённой годичной орбиты. Однако, достоверно известно: происходит лишь первое из этих колебаний, что проявляется через колебания видимой долготы Солнца с амплитудой около 6.²4 и периодом в синодический месяц [7,8] (т.н. лунное неравенство в гелиоцентрической долготе Земли). Синодические же колебания Земли поперёк своей орбиты – отсутствуют. Они давно могли быть прямо обнаружены с помощью ряда экспериментальных методик – приёма импульсов пульсаров, радиолокации планет, слежения за автоматическими межпланетными станциями – однако, они упорно не обнаруживаются [9]. Таким образом, кинематика пары Земля-Луна весьма своеобразна: Луна выписывает, вокруг некоторого условного центра, двумерную кривую, а Земля совершает, около этого центра, одномерные колебания [9]. Именно такая их кинематика даёт тривиальное, чисто геометрическое, объяснение главного неравенства в движении Луны (после большого эллиптического неравенства) – т.н. вариации (см. [10]).
Теперь мы можем пояснить происхождение суточных вращательных уклонений отвесных линий на Земле, которая совершает одномерные колебания «вперёд-назад», наложенные на её движение по орбите вокруг Солнца. Эти колебания, конечно, не являются динамической реакцией на Луну. Мы полагаем, что эти колебания являются следствием таких же колебаний области планетарного тяготения, в которой удерживается Земля [10]. При периоде этих колебаний в синодический месяц и амплитуде 4670 км, Земля испытывает соответствующее гармоническое ускорение с амплитудой »2.8×10-5 м/с2. Мгновенный вектор этого ускорения, взятый с обратным знаком, входит, как инерциальная поправка, во все местные векторы силы тяжести на Земле. Из-за суточного вращения Земли, в каждом пункте направление этой инерциальной поправки изменяется – конец её вектора в течение суток выписывает, в проекции на плоскость горизонта, некоторое подобие эллипса. Максимальное результирующее уклонение отвесной линии равно отношению вышеприведённого значения, 2.8×10-5 м/с2, к величине ускорения свободного падения, 9.8 м/с2 – что, в угловой мере, составляет 0.²59. Таким образом и получаются суточные вращательные уклонения отвесных линий, которые, на наш взгляд, являются истинными генераторами «лунных» океанских приливов [9]. Заметим, что размах этих уклонений должен быть промодулирован синодической волной. Действительно, ускорение Земли, при её вышеописанных одномерных колебаниях, максимально в квадратурах (I и III четвертях Луны) и равно нулю в сизигиях (новолуниях и полнолуниях) [10]. Причём, при переходах через эти нули, обращается направление вектора ускорения Земли (было «вперёд» по орбите, становится «назад», или наоборот) – что должно вызывать инверсию фазы суточных вращательных уклонений отвесных линий. Добавим, что имеют место ещё «солнечные» вращательные уклонения – тоже с суточным периодом, но с постоянной амплитудой, которая в 5-6 раз меньше максимальной амплитуды «лунных» уклонений. «Солнечные» вклады незначительны по сравнению с «лунными», поэтому учитывать «солнечные» вклады мы не будем.
По логике вышеизложенного, выражения для «лунных» уклонений отвеса - xWE, в проекции на линию «запад-восток», и xNS, в проекции на линию «север-юг» - имеют вид:
xWE= amax×Sin jSINOD (-Sin jD Cos jYE + Cos jD Cos q Sin jYE);
xNS= amax×Sin jSINOD (-Sin l Cos jD Cos jYE - Sin l Sin jD Cos q Sin jYE - Cos l Sin q Sin jYE),
где amax=0.²59, jSINOD – фаза синодического месяца, jD – фаза суток, jYE – фаза года, q =23°,5 – наклонение земной оси, l - широта места наблюдения. Для наглядной визуализации наших предсказаний, мы написали программу VERTICAL-inclin, которая находится в свободном доступе [11]. На Рис.1 изображён интерфейс этой программы. Она рассчитывает и показывает суточные хода «лунных» уклонений отвеса в проекциях на линии «север-юг» и «запад-восток», а также результирующую двумерную кривую уклонения отвеса в проекции на плоскость горизонта – в зависимости от широты места наблюдения, от дня в году и от дня синодического месяца. Заметим, что устройство, измеряющее xWE и xNS, может давать их величины с прямым или обратным знаком, в зависимости от своих конструктивных особенностей. В программе VERTICAL-inclin величины xWE и xNS берутся со знаком минус – в соответствии с тем, как их отображают использованные нами датчики. На Рис.1 показан теоретический ход суточных кривых в окрестностях I четверти Луны, когда xWE представляет собой «косинус», а xNS – «минус синус». В окрестностях III четверти Луны, фазы этих кривых инвертированы: xWEпредставляет собой «минус косинус», а xNS – «синус».
Рис.1