Прецессия Земли - загадка природы, или подсказка?

Ключевые слова: прецессия Земли, нутация земной оси, особенности движения земной оси.

Аннотация

Проведен анализ официального обоснования прецессии земной оси и показана его несостоятельность. Официальная точка зрения скрывает загадочное явление неизвестной природы, которое, возможно, является ключевым при поиске выхода из наметившегося кризиса в науке.

Введение
 
БСЭ. «Гироскоп, быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого может изменять своё направление в пространстве. Гироскоп обладает рядом интересных свойств, наблюдаемых у вращающихся небесных тел, …
  Свойства гироскопа проявляются при выполнении двух условий: 1) ось вращения гироскопа должна иметь возможность изменять своё направление в пространстве; 2) угловая скорость вращения гироскопа вокруг своей оси должна быть очень велика по сравнению с той угловой скоростью, которую будет иметь сама ось при изменении своего направления.
    Первое свойство уравновешенного гироскопа с тремя степенями свободы состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в мировом пространстве приданное ей первоначальное направление. Если эта ось вначале направлена на какую-нибудь звезду, то при любых перемещениях основания прибора и случайных толчках она будет продолжать указывать на эту звезду, меняя свою ориентировку относительно земных осей.
  Второе свойство гироскопа обнаруживается, когда на его ось начинают действовать сила или пара сил, стремящихся привести ось в движение (т.е. создающие вращающий момент относительно центра подвеса). Под действием сторонней силы Р  конец  оси  гироскопа будет отклоняться, но не в сторону действия силы, как это было бы при не вращающемся роторе, а в направлении, перпендикулярном к этой силе; в результате гироскоп начнёт вращаться вокруг оси, параллельной вектору силы Р и проходящей через точку крепления гироскопа, притом не ускоренно, а с постоянной угловой скоростью. Это вращение называется прецессией; оно происходит тем медленнее, чем быстрее вращается вокруг своей оси сам гироскоп.  Если в какой-то момент времени действие силы прекратится, то одновременно прекратится и прецессия».

Добавим еще, что направление вращения оси прецессии всегда противоположно направлению вращения маховика гироскопа.

Теория гироскопа, по отношению к Земле, прогнозирует практически идеальную устойчивость её оси, т.к. Земля представляет безопорный, свободный гироскоп. Точкой крепления такого гироскопа необходимо считать центр массы инерции, а точкой приложения внешних сил гравитации – центр массы гравитации.
Как в рамках классической теории, так и в рамках ТО, эти центры масс должны всегда совпадать, в силу принципа эквивалентности. Земля, как свободный гироскоп, может испытывать только кратковременную прецессию, вызываемую столкновением Земли с космическими телами, все остальное время ось Земли должна пребывать в покое. Однако, как известно, стабильная прецессия существует. Это означает только одно – существует внешнее, полевое воздействие, центр приложения сил которого не совпадает с центром инерции Земли. Это неоспоримый факт.
 
Проанализировав обстоятельства, сопутствующие прецессии Земли, Эйлер выдвинул предположение о решающем влиянии притяжения Луны и Солнц посредством их воздействия на элемент, нарушающий симметрию Земли. Этим элементом является так называемое экваториальное кольцо. Эйлер не был знаком с принципом эквивалентности масс, поэтому руководствовался физическими реалиями, суть которых в данной ситуации сводится к следующему. Если знаменитый сейчас лифт Эйнштейна уронить в любом реальном гравитационном поле, т.е. имеющем радиальный градиент, то длинная рейка, падающая вместе с лифтом, будет иметь два равновесных состояния.
Одно из них устойчивое, когда рейка направлена вдоль движения лифта, и одно неустойчивое, когда рейка направлена поперек. Этот нехитрый датчик позволяет следить из замкнутой лаборатории лифта за направлением падения (движения) и за величиной и направлением градиента гравитационного поля, т.к. рейка будет испытывать соответствующее колебательное движение около своего устойчивого состояния. Вот это, общедоступное и истинное знание, и использовал Эйлер в своем обосновании прецессии Земли.

Идея Эйлера, правдоподобная на первый взгляд, оказалась ошибочной. Геометрия обруча в радиальном гравитационном поле  действует иначе, чем геометрия рейки. Это будет показано ниже. Но других вариантов обоснования прецессии просто не было, ничего иного никто предложить не мог. А параметры прецессии явно указывали на свою связь с Луной и Солнцем, что проявлялось в их периодической неравномерности  движения земной оси, совпадающей с неравномерностью особенностей движения Луны и Солнца.

Ни Эйлер, ни кто другой, не стали проверять гипотезу на достоверность, хотя такая возможность  была всегда.
Реализовалась ситуация взаимного обоснования двух явлений, имеющих явную взаимосвязь.
 
Если бы Эйлер произвел корректный математический расчет, то копилка научных парадоксов возможно пополнилась бы еще одним замечательным явлением – загадочной прецессией земной оси. Но этого не случилось.

В настоящее время необходимый расчет произведен, и свидетельствует о несоответствии реальных параметров прецессии параметрам модели, предложенной Эйлером. Однако официальная реакция отсутствует.
По нормам, установленным комиссией РАН по борьбе с лженаукой, эти расчеты являются лженаучными, т.к. правила РАН в трактовке Виталия Гинзбурга  гласят: «Лженаука – это утверждение, которое противоречит твердо установленным научным данным» [1].

Анализ современного обоснования прецессии земной оси

Проведем анализ обоснования прецессии земной оси, основанного на идее Эйлера и официально принятого в качестве «твердо установленных научных данных».
Чтобы не упустить обстоятельств, которые могли возникнуть в последние годы, проследим за логикой обоснования не по классическим трудам, а воспользовавшись современной статьей доктора ф.-м. н. Сидоренкова Н.С. [2] и учебным курсом Алксандровича Н.Л.  [3].

Приведем исходные положения, по Сидоренкову.
Цитата. «Фигура Земли близка к эллипсоиду вращения. Когда Луна и Солнце не лежат в плоскости земного экватора, силы их притяжения стремятся развернуть Землю так, чтобы экваториальные вздутия фигуры располагались по линии, соединяющей центры масс Земли, Луны и Солнца. Но Земля не поворачивается в этом направлении, а под действием момента пары сил прецессирует [4]. Ось вращения Земли медленно описывает конус вокруг перпендикуляра к плоскости эклиптики (рис. 3). Вершина конуса совпадает с центром Земли. Точки равноденствий и солнцестояний движутся по эклиптике навстречу Солнцу, совершая один оборот за 26 тыс. лет (скорость движения 1 градус за 72 года)».
Конец цитаты.

Итак, Земля имеет форму сфероида, который можно представить в виде идеального шара и цилиндрической экваториальной добавки, которую в свою очередь допустимо представить в более компактной форме экваториального обруча. Идеальный шар не может вызывать прецессию ни при каких условиях. А вот наклонное экваториальное кольцо, взаимодействуя с Солнцем и Луной (действие остальных объектов Солнечной системы мало - и обнуляется), по мнению авторов, которые все согласны с Эйлером, вызывает прецессию за счет  опрокидывающего момента геометрического происхождения, см. рис 1, заимствованный из [3].

Рис. 1. Схема образования опрокидывающего момента, действующего на Землю со стороны Солнца и Луны. Силы, действующие на экваториальную выпуклость (в точках А и В), разложены на компоненты, параллельные направлению на возмущающее тело из центра Земли О, и компоненты, перпендикулярные плоскости земного экватора (AA' и BB'). Последние, и выступают в роли опрокидывающих сил.
Так как ближняя часть кольца создает силу чуть большую по сравнению с дальней частью, а кольцо имеет известный наклон в 23 град, то в результате, точка приложения суммарной силы несколько сместится от направления на центр инерции и создаст, таким образом, опрокидывающий момент.
Расчета величины момента (или ссылку на этот расчет) обнаружить не удалось, конечный результат таких расчетов в справочниках тоже не приводится. Вот что по этому поводу пишет Александрович. «Величину прецессии и нутации можно было бы вычислить теоретически, но для этого не хватает данных о распределении масс внутри Земли, и поэтому ее приходится определять из наблюдений положений звезд в разные эпохи».
Можно подумать, что в астрономии не существует практики оценочных расчетов.

Однако, аналитик Гришаев А.А., в качестве независимого исследователя, не поленился и произвел оценочные расчеты [5], используя те же исходные данные, и те же геометрические координаты, что и Сидоренков. У него получилось, что период прецессии, формируемой совместно Луной и Солнцем в согласии с идеей Эйлера, должен быть более 900 тыс. лет, тогда как наблюдаемый составляет всего 26 тыс. лет. Есть повод задуматься.
Видимо, Эйлер получил в свое время аналогичный результат, и не стал его обнародовать.
 
Но дело не только в цифрах. Рассмотрим внимательнее приводимый всеми источниками механизм формирования опрокидывающего момента. Для упрощения анализа и облегчения его восприятия исключим временно из рассмотрения Луну.
Все источники утверждают, что Земля в форме идеального шара прецессию испытывать не будет, прецессия якобы вызывается исключительно наклонным экваториальным кольцом. Согласимся временно с этими утверждениями и проведем мысленный эксперимент. Устраним экваториальное кольцо, превратив Землю в идеальный шар. Затем распилим идеальный шар на тонкие диски, параллельные экваториальной плоскости,  а диски распилим на тонкие кольца. Получим шар, собранный из набора разновеликих колец, каждое из которых принципиально не отличается от устраненного экваториального кольца, вызывающего прецессию. Получается, что шаровой гироскоп в радиальном поле гравитации должен испытывать прецессию, т.к. каждое составляющее кольцо должно вызывать прецессию.

Ситуация парадоксальная.  А это значит, что одно из утверждений: или прецессия наклонного кольца, или отсутствие прецессии у шара,- является ложным.
В нашем случае парадокс легко разрешается на качественном уровне.
Для проверки, остановим вращение кольца. Геометрия сил при этом не изменится. Под действием момента сил кольцо должно придти в движение, стремясь переместить центр гравитации в плоскость кольца. То же самое должно произойти с  шаром, набранным из колец, нарезанных под произвольным углом, т.к. шар не вращается и не имеет выделенных направлений.
Но совершенно очевидно, что это невозможно из условий симметрии. Итак, приходим к окончательному выводу: наклонное кольцо не может вызывать прецессию. Доказательство, не смотря на отсутствие математических формул, является абсолютно строгим.

Аргументация авторов, отстаивающих официальную точку зрения, принята во всем мире и не вызывает сомнений сотни лет. Это обстоятельство требует не только указать на ошибки в обосновании, но и объяснить причину всеобщего заблуждения. А причиной является малозаметная оплошность авторитета-первопроходца, применившего при анализе ситуации недопустимое смешение геометрий. Суть ошибки отражена на схеме, рис. 2.

Рис. 2.  Проекция экваториального кольца Земли на плоскость эклиптики при солнцестоянии

Действительно, рассматриваемая система Солнце-Земля является сферической. Значит, при анализе всевозможных ситуаций в раскладе сил удобно пользоваться законами и теоремами сферической геометрии.
Использование при анализе сферической системы теорем декартовой геометрии допустимо, но с максимальной осмотрительностью. Обычно к ней прибегают при рассмотрении бесконечно малых дифференциалов, и эта практика широко используется.
Рассмотрим фрагмент анализа Сидоренкова, где он делит кольцо на две, якобы равные, половины, пользуясь по умолчанию ортогональной системой координат, и в результате вслед за Эйлером приходит к ложному выводу. В качестве контр аргументации приведем корректный анализ ситуации с помощь схемы рис. 2.

Суммарный опрокидывающий момент наклонного кольца формируется парными сопряженными элементами кольца, вырезаемыми элементарным сектором, что обеспечивает равное и полное количество элементов на ближней и дальней дуге кольца.
Нет необходимости доказывать, что дальний элемент кольца массивнее ближнего ровно на столько, чтобы опрокидывающий момент, с учетом разности расстояний до Солнца, равнялся нулю в соответствии с первым утверждением об идеальном шаре.
Линия, разделяющая кольцо на ближнюю и дальнюю половины, это вовсе не диаметр, а кривая, обозначенная на рис. 2 пунктиром.
 
Таким образом, официальное обоснование прецессии земной оси оказывается ложным. И мы оказались в ситуации, в которой в своё время находился Эйлер – прецессия есть, а видимой причины нет. И что же делать? А делать необходимо то, что должны были сделать астрономы, современники Эйлера, - анализировать фактическую ситуацию, без оглядки на мнение авторитетов.
 
Продолжим анализ модели Сидоренкова с учетом установленной истины.
Схема движения земной оси, полученная на основе экспериментальных данных, а также на основе записей астрономов древности, приведена на схеме рис. 3.

Рис. 3. Схема движения оси вращения Земли в пространстве для внеземного наблюдателя

Эта схема весьма приблизительна, но её можно принять как качественную интерпретацию экспериментального факта. Масштаб нутации на схеме намеренно увеличен (для наглядности). Существенным изменением в представленной схеме (в нашем анализе) будет изменение направления оси прецессии. До настоящего времени никто не определял направление этой оси по экспериментальным данным, её постулировали из соображений симметрии лунно-солнечной прецессии.
Отказавшись от модели Эйлера, можно утверждать, что ось наблюдаемой прецессии направлена приблизительно в направлении оси эклиптики. Вот в этом направлении и нужно искать реальный источник стабильного гравитационного поля, вызывающего наблюдаемую прецессию. Этим источником может являться ядро нашей Галактики, которое в настоящее время наблюдается в созвездии Стрельца, т.е. совсем недалеко от оси эклиптики.

Итак, Солнце не создает смещения центров масс Земли, Луна – тоже. Но прецессия является экспериментальным фактом. Это значит, что смещение центров масс есть. Есть, но не является следствием влияния Солнца (и Луны). И это самый важный вывод из сложившейся ситуации.

Явление загадочное. Но все открытия начинались с экспериментальных фактов, которые какое-то время являлись загадочными. В задачу данной статьи не входит поиск разгадки, однако выявить максимум ценной информации из доступных фактов просто необходимо.

В создавшейся ситуации (выявление загадочного смещения центров масс Земли) должна возникнуть сопутствующая прецессия земной оси, вызываемая всеми сторонними источниками гравитации, а их оказывается как минимум три: Солнце, Луна и ядро Галактики. Ось стационарной прецессии всегда совпадает с вектором внешней силы. Нашей задачей является выделение всех действующих составляющих, формирующих суммарную прецессию.

Ось прецессии, вызываемой Солнцем, находится в состоянии постоянного принудительного кругового движения, что в обоснованиях официальных авторов не акцентируется.
В каждый конкретный момент для системы Солнце-Земля можно определить как векторы движения тел, так и распределение сил, и рассчитать дифференциал смещения земной оси. Но обычное интегрирование полученной функции недопустимо, т.к. начальные условия постоянно изменяются.
Кроме того, к этой прецессии нельзя применять классическую формулу движения оси гироскопа, по той же причине -  начальные условия постоянно изменяются, и совсем не так, как в классической модели гироскопа, где после элементарного поворота все соотношения сил и скоростей точно повторяются, только в чуть смещенной системе координат.
Таким образом, в модели, рассматриваемой Сидоренковым, с учетом уточненных данных, необходимо принимать во внимание принудительное, равномерное обращение оси моментальной прецессии вокруг Земли.

В рассматриваемой статье [2] подробно разбирается характер годового изменения скорости прецессии, которая максимальна в дни солнцестояний, и равна нулю в дни равноденствий.
Цитата. «Моменты сил притяжения, которые действуют на экваториальные вздутия, меняются в зависимости от положений Луны и Солнца по отношению к Земле. Когда Луна и Солнце находятся в плоскости земного экватора, моменты сил исчезают, а когда склонения Луны и Солнца максимальны, то и величина момента наибольшая. Вследствие таких колебаний моментов сил тяготения наблюдаются нутации (от лат. nutatio – колебание) оси вращения Земли, складывающиеся из ряда небольших периодических колебаний. Главнейшее из них имеет период 18,6 года – время обращения узлов орбиты Луны».
Конец цитаты из [2].

Сидоренков фактически анализирует параметры моментальной прецессии вокруг оси Солнце – Земля, а её характеристики напрямую, неправомерно приписывает результирующей прецессии, полученной экспериментально и отображенной на рис.3. Направление солнечной прецессии он при этом считает неизменным.
Сидоренков, вслед за другими авторитетами, не замечает геометрической метаморфозы, происходящей с направлением вращения Земли относительно Солнца при прохождении точки равноденствия.
Чтобы наглядно ощутить этот эффект, надо наклон земной оси мысленно довести до 90 градусов, тогда каждый легко смоделирует эффект смены направления вращения, обойдя вокруг любого вращающегося бытового объекта (вентилятора, велосипедного колеса и пр.), принимая себя за Солнце. Во время такого обхода, если все время смотреть на вентилятор, в момент пересечения экваториальной плоскости, вращение вентилятора (не останавливаясь) изменит свое относительное направление вращения с направления по часовой стрелке на направление против часовой стрелки (или наоборот).

Смена направления вращения Земли в момент равноденствия автоматически вызывает смену направления прецессии Земли, вызываемой Солнцем. Таким образом, составляющая прецессии Земли, вызываемая обращением Земли вокруг Солнца, является возвратно-поступательным покачиванием оси вращения Земли. Но, тем не менее, по природе сил её вызывающих, это движение является специфической прецессией.
 
Официальная точка зрения, популяризируемая Сидоренковым, пытается представить эту возвратно-поступательную прецессию, формируемую с участием Луны, в качестве единственной составляющей  результирующей прецессии Земли. Выше уже продемонстрирована научная несостоятельность этого подхода, но он много лет принимается мировым научным сообществом за истину.
Реальный объект, вызывающий конусообразную классическую прецессию, должен находиться, как и положено, на оси стационарной прецессии. Таким объектом может быть только ядро Галактики, но оно находится в созвездии Стрельца, т.е. направление на него несколько смещено от оси эклиптики.

Здесь мы сталкиваемся с «болезнью» интерпретаторов – взаимной подгонкой результатов эксперимента и теоретических расчетов. Никто не рассчитывал направление оси прецессии Земли по участку дуги длиною в несколько градусов; её направление было назначено (постулировано) как вполне очевидное, а именно, совпадающее с осью эклиптики. Ошибка не катастрофическая, её легко исправить. Но огорчает тенденция - видеть не то, что есть, а то, что хочется увидеть. А таких ситуаций в современной науке становится всё больше.

Случившегося недоразумения с подменой истинного направления оси прецессии осью эклиптики могло бы не произойти, если бы ни одно роковое совпадение.
Солнечная система в своем обращении вокруг центра Галактики ведет себя по закону гироскопа, т.е. сохраняет в пространстве направление оси эклиптики. Плоскость эклиптики наклонена сейчас относительно плоскости Галактики приблизительно на 63 градуса, и скорее всего, прецессирует. Проекция оси эклиптики на экваториальную плоскость Галактики описывает полный оборот за 230 млн. лет, сохраняя свое направление, и дважды за это время её ориентация совпадает с направлением на центр Галактики. В настоящее время реализуется именно эта ситуация.
Таким образом, реальная прецессия, вызываемая гравитацией ядра Галактики, была выдана за прецессию, создаваемую Луной и Солнцем.

На основании проведенного анализа можно утверждать, что использующаяся в настоящее время интерпретация данных наблюдений за движением земной оси является ошибочной. Наблюдаемая, классическая прецессия вызвана притяжением Галактики, а «нутация» на самом деле является возвратно-поступательной прецессией, вызываемой Солнцем и Луной. Характер этой прецессии определяется поведением суммарной силы гравитации Луны и Солнца, которая периодически и сравнительно быстро изменяется по величине и по направлению, всегда оставаясь ортогональной к стабильной оси прецессии, вызываемой слабым полем ядра Галактики.
Таким образом, возвратно-поступательная прецессия, вызываемая Луной и Солнцем, проявляется как возмущение стационарной, медленной прецессии, рис. 3. Эта уточненная интерпретация становится еще более убедительной, если вспомнить, что истинная нутация всегда затухает, а с «нутацией» Земли этого не происходит.

В силу сложившихся в космосе обстоятельств, ось эклиптики в настоящий момент максимально приблизилась к центру Галактики. Так будет не всегда. Через 75 млн. лет, т.е. через четверть периода обращения Солнца вокруг Галактики, центр Галактики будет наблюдаться уже в плоскости эклиптики. Параметры земной прецессии при этом радикально изменятся.

Заключение
 
Проведенный анализ официального обоснования наблюдаемой прецессии земной оси свидетельствует о его частичной несостоятельности, следствием которой явилось искаженное представление о наблюдаемом явлении - прецессии земной оси. Показано, что гравитация Солнца и Луны не может вызвать у Земли смещения центра гравитации от центра инерции массы. Однако прецессия существует. Существование прецессии неопровержимо доказывает, что смещение центров масс совершенно реально.
Но если имеется смещение, то и Солнце, и Луна должны вызывать, и вызывают, прецессию земной оси, не являясь причиной смещения центров масс. Этим объясняется явно наблюдаемая периодическая зависимость так называемой нутационной составляющей прецессии от движения Луны и Солнца. Причиной конусообразной прецессии с периодом 26 тыс. лет является ядро Галактики.
Но и ядро Галактики не может быть, и не является, причиной смещения центров масс Земли.

Таким образом, вскрыт космологический эффект, сотни лет недоступный научной общественности,   – смещение центров масс Земли по  неизвестной причине.  С полной определенностью можно утверждать, что поиск причины эффекта необходимо искать вне рамок классической и эйнштейновской теорий, построенных на основе постулата об эквивалентности масс. Этот постулат проверялся множество раз, но всегда только при нулевой скорости относительно поверхности Земли, и никогда не проверялся при субсветовых скоростях.
Если предположить, что масса инерции и масса гравитации по-разному зависят от скорости своего единого движения, то для вращающихся тел, двигающихся еще и поступательно, необходимое смещение центров масс реализуется  естественным образом, см. [9]. Других возможностей создать смещение центров масс не просматривается.

В связи с этим необходимо начать поиск фактического материала, возможно уже имеющегося, но забракованного экспериментаторами, по причине противоречия полученного материала «твердо установленным научным данным».

Нижний Новгород, февраль 2014г.

Контакт с автором: vleonovich@yandex.ru

С другими публикациями автора можно ознакомиться на странице http://www.proza.ru/avtor/vleonovich сайта ПРОЗА.РУ.
 

Источники информации

1. Гинзбург В.Л. «Лженаука», ВЕСТНИК РАН  № 9.
2. Сидоренков Н.С., д. ф.-м. н. «Нестабильность вращения Земли», Гидрометцентр России, г. Москва. ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК,  том 74, № 8, с. 701-715 (2004)
3. Александрович Н.Л., «Основы астрономии. Прецессия», учебный курс на базе основ физики и математики, Интернет http://hea.iki.rssi.ru/~nik/astro/prec.htm
4. Сидоренков Н.С. «Межгодовые колебания системы атмосфера–океан–Земля». – Физика, № 25/98.
5. Гришаев А.А.  «О так называемой лунно-солнечной прецессии земной оси», http://newfiz.narod.ru.
6. Михайлов А.А., «Земля и её вращение», М.: Наука.
7. Подобед В.В., Нестеров В.В.. «Общая астрометрия». Наука, М., 1982.
8. Манк У., Макдональд Г. «Вращение Земли». Мир, М., 1964.
9. Леонович В.Н., «Концепция физической модели квантовой гравитации», http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10168.html.;
10. Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия.