Служба широты АОЭ

02.11.2022

Памяти казанского астронома Лапаевой Валентины Васильевны (1947 -2020)

Лапаева (Лобанова) Валентина Васильевна родилась 7 августа 1947 года в селе Михайловское Тужинского района Кировской области. Окончила в 1972 году Казанский государственный университет по специальности «Астрономия» с присвоением квалификации «Астроном». В 1972-2020 гг. – сотрудник Широтной группы Астрометрического отдела Астрономической обсерватории им. Энгельгардта (АОЭ). С 1996 года параллельно преподавала геодезию в Казанской государственной архитектурно-строительной академии (бывший КИСИ), доцент кафедр геодезии, автомобильных дорог, мостов и тоннелей. За добросовестный плодотворный труд и достойный вклад в подготовку «специалистов для дорожной отрасли республики» Лапаевой Валентине Васильевне объявлена благодарность Министра транспорта и дорожного хозяйства Республики Татарстан (2016г.). В.В. Лапаева читала лекции по инженерной геодезии и вела летнюю полевую практику. Отзывы студентов-строителей о В.В. Лапаевой всегда положительные. Немало выпускников – инженеров-строителей – выбрали для себя работу геодезистом, и не только в строительных компаниях, но и на изысканиях, в полевой геодезии.

Лапаева В.В. – автор более 70 научных и учебно-методических работ. Кандидат физико-математических наук. Всю свою жизнь, с 1972 года и до своего ухода 9 февраля 2020-го, В.В. Лапаева жила и работала на одном месте – Астрономическая обсерватория им. В.П. Энгельгардта, занимаясь наблюдениями на зенит-телескопе ЗТЛ-180 и научными исследованиями в области фундаментальной астрометрии. Когда в 2002 году полностью прекратилось финансирование наблюдений широты, Валентина Васильевна продолжала в одиночку, «за свой счёт» и «в своё личное время» еще пять лет вести наблюдения на ЗТЛ-180, с обработкой измерений и отправкой результатов в центры сбора информации «астрооптической подсистемы» Государственной службы определения ПВЗ. Из частного письма (2006г): «…Я уже 5-й год одна на зенит-телескопе наблюдаю, устала от этих наблюдений (общий стаж 33 года). Жалко бросать, в других обсерваториях наблюдают, и эти наблюдения пока еще нужны. И если несмотря ни на что я останусь, так только ради обсерватории. Обсерватория совсем умирает, и её нужно поддержать. …я ещё раз подчеркиваю – деньги меня не интересуют, меня интересует истина».

И еще В.В. Лапаеву очень беспокоило состояние «банка данных» — архива широтной группы: «Накопленный наблюдательный материал представляет собой большую научную ценность. Только последний ряд наблюдений на ЗТЛ-180 продолжительностью более 50 лет включает в себя 10500 наблюдений звеньев, или 42 тысячи наблюдений пар звёзд. Поэтому необходимо организовать выполнение работ по систематизации и созданию базы данных этих наблюдений. При изучении как глобальных процессов (движение полюсов), так и региональных (движения микроплит) нельзя обойтись без исторических данных. И чем больше длина ряда наблюдений, тем более достоверной будет информация об этих явлениях».

Службе широты АОЭ 90 лет

Наблюдения над изменяемостью широты, открытой в конце 19-го века, непрерывно проводились в АОЭ с 1932 года, сначала на инструменте Пистора и Мартинса, в связи с занятостью меридианного круга работами по определению координат звёзд. Обработку первого десятилетнего ряда (1932-1942гг) выполнила Н.А. Чудовичева. Наблюдения за изменяемостью широты были важны не только для обсерватории, но и для государства. Большая протяженность нашей страны по долготе давала возможность создать свою службу, независимую от международной. Необходимость такой службы особенно очевидной стала после Великой Отечественной войны, к её созданию были предприняты решительные действия. Был организован крупный научный центр по изучению движения полюса – Полтавская гравиметрическая обсерватория. Для уверенного определения координат полюса нужны наблюдения на нескольких станциях, удаленных по долготе. Одной из таких станций должна была стать Астрономическая обсерватория им. В.П. Энгельгардта, где для этого были кадры и десятилетний опыт наблюдений. От Киевской обсерватории был получен более специальный инструмент – зенит-телескоп Бамберга (ЗТБ) с диаметром объектива 90 мм и фокусным расстоянием 115 мм. Плановые наблюдения на этом инструменте были начаты с июня 1946 г. Программа наблюдений была составлена таким образом, что наблюдения велись всю ночь «от зари до зари». С 1946 г по 1951 г было выполнено более 10.5 тысяч наблюдений широтных пар. Были трудности, связанные с обработкой наблюдений. Тогда ещё не было быстродействующих ЭВМ (компьютеров), и все вычисления велись «вручную», на арифмометрах. Обработка наблюдений затягивалась и на других станциях. Не была исключением и Международная служба широты, поэтому координаты полюса, необходимые геодезистам и астрономам, ведущим службу времени, публиковались с большим опозданием. Для исправления такого положения в Полтавской обсерватории была разработана программа наблюдений нового типа. Способ обработки наблюдательного материала этой программы таков, что значения мгновенных широт можно получить уже на следующий день после наблюдений. Эта программа давала также возможность изучать важные для астрономии и геофизики вопросы – нутационное движение земной оси и медленные изменения средних широт. Можно сказать, что с переходом АОЭ на новую программу вопрос об организации национальной службы широты встал на реальную почву. И действительно, Советская служба широты была, наконец, создана в мае 1953 года с Центральным бюро при Полтавской гравиметрической обсерватории. С этого времени результаты наблюдений широты в АОЭ стали регулярно посылаться в Полтаву. На основе данных советских обсерваторий Полтавская гравиметрическая обсерватория стала систематически вычислять предварительные координаты полюса, так необходимые геодезистам и Советской службе времени с центром во ВНИИФТРИ. В 1956 году АОЭ получила новый зенит-телескоп ЗТЛ-180. Во второй половине 1957 года на нём были начаты наблюдения по четырехгрупповой программе. Широкое поле зрения ЗТЛ-180 (1 градус 45 минут), а также возможность получить с высокой точностью по широким шкальным парам цену оборота винта микрометра позволили вести наблюдения в течение длительного времени без изменения программы. Это обстоятельство очень важно для изучения векового движения полюса и нутационного движения земной оси. АОЭ стала базовой станцией Советской Службы широты. Не менее важным было и международное сотрудничество. В течение многих десятилетий (до 1988г) результаты наблюдений регулярно высылались в Международную Службу движения полюса (МСДП) с центром в Мицузаве (Япония) и в Международное бюро времени (МБВ) с центром в Париже. Данные наблюдений всех участвующих станций регулярно публиковались в месячных бюллетенях и годовых отчетах этих служб. Вклад АОЭ в деятельность этих организаций был настолько значителен, что Центральное бюро в Париже новой, созданной в 1987 году Международной Службы Вращения Земли (МСВЗ), и после прекращения наблюдений на ЗТЛ-180 (в 2007 году) совершено бесплатно высылает в АОЭ данные о параметрах вращения Земли (ПВЗ). В начале 1980-х годов центр по сбору данных широтных наблюдений в нашей стране был перенесен из Полтавы в Институт метрологии времени и пространства (ИМВП) при Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Таким образом, была создана национальная Государственная Служба по определению ПВЗ. Задача этой службы – срочное определение ПВЗ: координат полюса X и Y и всемирного времени UT1, которые необходимы для решения всех практических задач, требующих знания ориентировки оси вращения Земли в пространстве. С 1984 года и по 2007 год широтная группа АОЭ входила в астрооптическую подсистему Государственной службы определения ПВЗ. Кроме основной задачи (регулярного проведения наблюдений, их срочной обработки и отсылки результатов в центры сбора информации) сотрудниками широтной группы выполнялись научные исследования. В 1976 году был получен 18,6-летний ряд наблюдений, равный по длительности периоду главного члена вынужденной нутации земной оси. А одной из задач наблюдений является изучение нутационного движения земной оси. Чтобы выделить из наблюдений очень небольшие поправки к коэффициентам нутационных членов, необходимо было максимально исключить влияние инструментальных и вычислительных погрешностей. Поэтому весь ряд наблюдений 1957-1976 гг был переработан В.В. Лапаевой в однородной системе с учетом уточненных инструментальных характеристик и теоретических редукций, не принятых во внимание в текущей обработке. Использование при переработке вместо каталога GC нового каталога склонений и собственных движений звёзд, полученного И.А. Урасиной, позволило значительно уменьшить годовую составляющую Z-члена и уточнить значение средней широты обсерватории. Сравнивая полученные коэффициенты нутации с коэффициентами старой системы (Вуларда) и новой (Вара), можно сказать, что результаты определения коэффициентов нутации из ряда наблюдений широты в АОЭ за 1957-1976 гг подтверждают принятую в 1980 г теоретическую модель Вара для вынужденной нутации земной оси. Через несколько лет после принятия (этой модели) нутации МАС-1980, по данным новых, радиоинтерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой (РСДБ) были выявлены расхождения теоретических и наблюденных значений нутации на уровне нескольких миллисекунд дуги. Возникла необходимость разработки новой, еще более точной модели нутации. Из РСДБ и лазерных наблюдений были определены поправки к наиболее значимым коэффициентам нутации. Поправки к главному члену составили 2-3 миллисекунды дуги, к другим членам – меньше 1 миллисекунды. Но временной интервал, в течение которого велись наблюдения новыми радиотехническими методами, был еще недостаточно велик для уверенного разделения прецессии и главного члена нутации, период которого равен 18,6 года. Классические астрометрические наблюдения, значительно уступая в точности новым методам, имеют преимущество в продолжительности рядов наблюдений. Поэтому определение поправок к нутации МАС-1980 из длительных однородных рядов таких наблюдений по-прежнему представляло определенный интерес. По наблюдениям 1957-1994 гг (два цикла нутации) были получены поправки к коэффициентам четырех наиболее значительных нутационных членов модели нутации Вара: главному, годовому, полугодовому и полумесячному. Сравнение с поправками, полученными разными авторами из радиоинтерферометрических (VLBI) и лазерных (SLR) наблюдений, показало наилучшее согласие для главного 18,6-летнего члена нутации. Значения поправок для других членов хотя и не так хорошо, но с точностью «до знака» также согласуются с новыми данными. Новая, более точная по сравнению с теорией Вара, модель нутации была принята (только) в 2003 году.

Важное значение имеет определение из широтных наблюдений периода свободной нутации Земли, или периода Чандлера, величина которого значительно отличается от теоретического значения, полученного Эйлером для абсолютно твердой Земли. По данным наблюдений за 1957-1992 гг было получено значение периода Чандлера, равное 1,187 года, или 433,4 средних суток. Нутация Чандлера изучалась также по данным координат полюса за 1846-1993гг. По этим данным величина периода Чандлера получилась равной 1,184 года, или 434,2 средних солнечных суток.

Программа МЕРИТ (1984-1987)

К середине 1980-х годов в связи со становлением и развитием новых технических средств и методов наблюдений на повестку дня встал вопрос о создании новой Международной службы вращения Земли. Назрела необходимость сравнения различных методов определения ПВЗ, выяснения их преимуществ и недостатков. Для сравнительного анализа различных средств и методов, а также выработки рекомендаций по созданию новой службы была задумана большая международная программа под названием МЕРИТ. Оптические астрометрические наблюдения выполнялись на 85 инструментах. Из многих типов оптических инструментов, на которых проводились наблюдения, пулковский ЗТФ-135 и ЗТЛ-180, среди которых был и инструмент АОЭ, дали наивысшую точность. Работа АОЭ по международному проекту МЕРИТ получила высокую оценку руководства Комиссии №19 Международного астрономического союза. Участие в этой программе предполагало также переобработку ранее выполненных наблюдений (с 1978г) в соответствии со стандартами МЕРИТ, в новой системе астрономических постоянных МАС 1976, 1980. С этой работой сотрудники широтной группы АОЭ успешно справились. В другой же международной работе по созданию банка данных астрономических определений времени и широты наше участие не было столь успешным. Главная причина – финансовые трудности.

Новая Международная служба вращения Земли (IERS)

С 1987 года началá действовать Международная служба вращения Земли (IERS), использующая преимущественно результаты измерений SLR- и VLBI-станций и предоставляющая ежегодно новый набор координат X, Y, Z, получаемых путем совместной обработки результатов различных SLR- и VLBI-станций. Высокоточный метод измерений с помощью SLR позволил создать высокоточную глобальную земную систему координат, получившую название Международной земной системы отсчета (ITRS). Система ITRS эксплуатируется IERS, а практическим воплощением ITRS является Международная земная опорная система (ITRF). С 1988 года службой IERS были определены средняя ось вращения, опорный полюс IERS (IRP), нулевой меридиан и опорный меридиан IERS (IRM). Поддержание такого уровня точности определения геодезической основы требует непрерывного контроля за вращением Земли, перемещением IRP и движением плит земной коры, на которых расположены наземные станции. Международная опорная земная система отсчета (International Terrestrial Reference Frame, ITRF) реализуется декартовыми координатами X,Y,Z и скоростями Vx,Vy,Vz ряда реперных точек. Скорости точек обусловлены тектоническими движениями плит земной коры. К примеру: система ITRF2000 реализуется координатами и скоростями более чем 800 точек, жестко связанных с корой Земли, и расположенных примерно в 500 пунктах. Каждая из точек представляет собой либо особую точку инструмента (например, пересечение осей радиотелескопа), либо геодезический маркер. Ориентация осей ITRF2000 и её стабильность во времени обеспечивается соответствующим выбором реперных точек. Изменение в ориентации осей ITRF2000 связано с кинематической моделью движения плит земной коры NNR-NUVEL-1A. В соответствии с этой моделью вся поверхность Земли разбита на 16 плит, каждая из которых вращается, но суммарное вращение земной коры равно нулю.

Широтные наблюдения и геодинамика

Из публикации В.В. Лапаевой: «Существует ещё одно важное научное приложение астрометрических определений времени и широты – это изучение неполярных вариаций и их связи с различными геофизическими явлениями. Так как классические астрометрические наблюдения непосредственно связаны с вектором силы тяжести, они должны содержать в себе уникальную информацию о положении и вариациях отвесных линий обсерваторий относительно звёзд. Одной из причин неприливных вариаций отвесных линий является наличие переменных масс вблизи места наблюдения. Астрономическая обсерватория им. В.П. Энгельгардта расположена на расстоянии 1,5 км от Куйбышевского водохранилища, уровень воды которого, регулируемый ГЭС, изменяется с годовым периодом, что влечет за собой годичные колебания местной вертикали. А.П. Кистерским была разработана методика вычисления вариаций вертикали вследствие изменения уровня воды. Поправки в текущие значения широты в отдельные годы могут достигать ±0,0145ʺ. Однако только одну треть неполярных вариаций широты с годовым периодом можно объяснить влиянием колебания уровня реки Волги. Неполярные вариации широты имеют сложную структуру. Медленные вековые изменения, включающие в себя и периодические с периодами более трех лет, называют изменениями «средней широты», периодические вариации меньших периодов – «Z-членом». Исследования показали, что значительную часть Z-члена составляют регулярные квазипериодические колебания, которые при необходимости можно прогнозировать и исключать из наблюдений. Наиболее достоверные составляющие Z-члена имеют периоды: 1,17; 1,0; 1,55; 0,596; 0,500; 0,451 и 0,316 года. Полная мощность (дисперсия) неполярных изменений широты после исключения периодических составляющих за 1978-1985 гг уменьшилась в 3,5 раза. Но уже в 1987-88 гг прогнозируемый Z-член стал заметно отличаться от наблюдаемого. Новое исследование показало, что перед 1988 г произошли резкие изменения параметров периодических составляющих Z-члена – их амплитуд и начальных фаз. Одной из вероятных причин нарушения регулярности периодических составляющих Z-члена могла быть повышенная сейсмическая активность на территории Татарстана в 1988-1989 гг».

Изменения широты и землетрясения

Для выявления возможной связи изменения широт с сейсмическими явлениями В.В. Лапаевой был рассмотрен ряд наблюдений за 1978-1992 гг. В ходе анализа этого ряда были выявлены значительные аномалии в неполярных изменениях широты. Средняя широта с 1986 г по 1988 г изменилась почти на 0,06ʺ. Такие значительные изменения средней широты наблюдались только в 1959-1962 гг, что по времени соответствовало заполнению Куйбышевского водохранилища. К 1990 году величина средней широты приблизилась к своему прежнему значению, но даже и в 1997 году оставалась меньше этой величины примерно на 0,02ʺ. Кроме того, за 4-5 месяцев до землетрясения отмечались аномальные отклонения нормальных точек – широт, осредненных за 6-15 суток. Эти отклонения в несколько раз превышают ошибку определения нормальных точек. Все перечисленные особенности в изменении широты в 1987-1989 гг трудно отнести в разряд случайных, считает В.В. Лапаева. По-видимому, они имеют геодинамическую природу и связаны с подготовкой землетрясений небольшой мощности, имевших место в 1988-1989гг на востоке Татарстана.

Землетрясения на территории РТ

Наиболее значительные землетрясения произошли 24.09.87, 19.09.88, 17.04.89, 11.11.89 и 28.10.91 гг. Перед каждым из указанных землетрясений имели место аномальные отклонения наблюденной широты от средней. Землетрясения имели магнитуды более 3.1, а энергетический класс более 9.5. В 1984-85 гг значительных землетрясений на территории РТ не было, поэтому наблюденная и вычисленная широта на этом интервале достаточно хорошо совпадают. Интервал времени между появлением аномальной флуктуации и датой землетрясения заключен в пределах от 46 до 175 суток, то есть от полутора до 5.7 месяца, и в среднем для 10 событий составляет 93 дня, т.е. три месяца. Величина аномальной вариации составляет в среднем 0.10ʺ, и меняется в интервале от 0.05ʺ до 0.13ʺ. Она не зависит от мощности землетрясения, которая определяется его магнитудой или энергетическим классом. Можно отметить некоторую зависимость аномальных флуктуаций от времени. Самые значительные отклонения были перед землетрясениями 1982, 1983, 1986 и 1988 годов. После 1988 года аномальные отклонения наблюденной широты от вычисленной перед землетрясениями несколько уменьшились. Из публикации В.В. Лапаевой: «До 1980 года не было значительных изменений средней широты. В середине 1980 года средняя широта начала увеличиваться и достигла максимального значения в 1981.0. Следующая флуктуация средней широты имела место в 1984 году. Самые же значительные изменения средней широты наблюдались в 1987-1988 гг. Являются ли эти изменения следствием сильных землетрясений 1986 года или предвестником сильных землетрясений 1988 года, пока сказать трудно. Скорее всего, мы имеем дело с предвестниками. И вот почему. В целом изменения средней широты носят неправильный волнообразный характер. Но на некоторых интервалах времени заметен ощутимый линейный тренд. Так на интервале 1980-1984 гг в течение четырех лет средняя широта увеличивалась со скоростью +0.0052ʺ/год. Эти изменения (линейные!) имели место перед сильными землетрясениями 1986 года. Затем на интервале 1984-1988 гг также в течение четырех лет перед землетрясениями 1988-1989гг средняя широта уменьшалась (линейно) со скоростью -0.0095ʺ/год (быстрее почти в два раза нежели увеличивалась). В линейной мере указанные изменения составляют 0.15 и 0.28 м соответственно. С такой скоростью происходили смещения (деформации) блока земной коры, на котором находится обсерватория. Эти величины могут показаться несколько большими («великоватыми»). Но нужно иметь в виду, что классические астрономические инструменты измеряют абсолютное смещение земной коры относительно звёзд, тогда как смещения, измеряемые в геологии и геодезии, относительные. Перед землетрясениями 1991 и 1993 годов средняя широта также изменялась на 0,015ʺ и 0,020ʺ соответственно. Таким образом, заметные изменения средней широты всегда наблюдались за 1.5-2.5 года до наступления землетрясения».

Далекие землетрясения

До сих пор речь шла о связи землетрясений с неполярными изменениями широты, то есть изменениями, характеризующими движение не всей Земли в целом, а только отдельных её частей, блоков земной коры того или иного размера. Но и между движением полюсов, вращением Земли и сейсмичностью также имеется некоторая связь. Работы по изучению этой связи ведутся давно. Чаще всего ищут влияние землетрясений на вращение Земли, реже – обратную связь. Обычно сейсмичность сопоставляют с аномалиями в движении полюса и вращении Земли, что вполне понятно с точки зрения изложенного выше. Но есть и ещё одно интересное обстоятельство, на которое ещё никто не указывал. Оно требует своего объяснения и может быть полезным при прогнозе землетрясений. Из публикации В.В. Лапаевой: «Кривая изменения широты на 70-80% отражает движение полюса и является суперпозицией двух основных компонент в движении полюса с близкими периодами – годичной и четырнадцатимесячной (Чандлеровской). График широты представляет собой неправильную синусоиду с меняющейся амплитудой и периодом, равным 13-17 месяцев. Можно заметить, что моменты землетрясений, в основном, локализуются вблизи экстремумов – максимумов и минимумов кривой колебания широты. Расчеты показывают, что для шести наиболее значительных землетрясений отклонения дат землетрясений по времени от точек максимума или минимума заключены в пределах 0.06-0.19 года или 22-69 суток. Среднее значение составляет 0.095 года или 35 суток, т.е. чуть больше месяца. Таким образом, землетрясения чаще всего происходят во время замедления или ускорения движения полюса на данном меридиане (вдоль него). В срединной части ветви синусоиды, когда скорость движения полюса постоянна, и во время максимума или минимума, когда скорость нулевая, землетрясения случаются реже. Факт этот очень интересен и должен быть изучен на большом статистическом материале».

Для проверки своего вывода В.В. Лапаева изучает крупнейшие землетрясения в мире начала 21 века: в 2001 году произошло два мощных землетрясения с М>7 (Сальвадор, Индия); в 2002 году – три; в 2003 году – 5 (в том числе землетрясение в Горном Алтае 27 сентября 2003 г); в 2004 – 5 землетрясений (Иран, Япония, Пакистан (и 25 декабря 2004г — вблизи острова Суматра)). Анализ движения полюса за этот и предшествующий период показал, что резкие изменения в направлении, скорости и величине смещения среднего полюса произошли в 2000-2002гг. В интервале с 2000.6 по 2001.1 г произошло смещение полюса на 0,017ʺ (0.57м) по оси Х (вдоль меридиана), а затем с 2001.8 по 2002.6 г полюс сместился на 0,019ʺ (0.57м) к западу по оси Y. С 2003 года движение среднего полюса практически прекратилось. В интервале 2003-2006гг оно не превышает 0,001ʺ (0.03м). А нарастание сейсмической активности началось после 2002 года. Таким образом, значительные изменения в положении среднего полюса Земли предшествовали, а не следовали за самыми значительными сейсмическими событиями начала 21 века.

Планируется расширить изучаемый временной материал насколько это возможно. Поскольку движение полюса Земли явление более прогнозируемое, чем степень сейсмической активности, подтверждение такой их связи было бы полезно для среднесрочного прогноза землетрясений.