Cambio de energía cinética de la Tierra

La velocidad de rotación de la Tierra varía.

Revisé los datos que encontré después de Peaks; Año 1998, 23 de mayo, la Tierra giró en 86400.0023738 segundos. El 9 de julio, el tiempo de rotación de la Tierra era de 86400,0000159 segundos. Esta aceleración ocurrió en solo 47 días.

¿Qué significa este pequeño cambio en forma de energía cinética rotacional? E-rot = 2.138 x10^29 J Lo calculé a través de la inercia en Excel, y obtuve valores comparables de aproximadamente 2.12597562 x10^29 J y 2.12597574 x10^29 J, y aunque casi no ves ninguna diferencia, es 11.6 x10^21J

¿Es mucho? Bueno, si no quieres almacenar esta energía con la masa de la atmósfera; m-atm = 5,15 x 1018 kg, debe tener toda la atmósfera para moverse primero con una velocidad de 8,2 m/s o 30 km/h y luego detenerla por completo para hacer esta diferencia.

No encuentro esto razonable. Además, la corriente del mar no parece proporcionar ninguna explicación razonable.

Otro ejemplo se puede hacer a través de cambios a largo plazo. La velocidad de rotación más lenta jamás se midió el 18.3.1973; 86400.0041340 segundos, el más rápido hasta ahora se midió en 5.7.2005; 86399.9989263 segundos. Esta diferencia significa que se almacenaron 25,6 x 10^21 J de energía cinética durante 32 años.

Pregunta; ¿Cómo es físicamente posible que tal cantidad de energía se almacene en la Tierra durante tanto tiempo y aún pueda recuperarse a una energía cinética rotacional que aún tenga la dirección de rotación correcta (la misma)?

Para ayudar a la Búsqueda; cuando pongo los datos de 1962-2015 en promedios; Obtuve el siguiente diagrama;ingrese la descripción de la imagen aquí

Lo que prueba que la variación parece tener un cierto sistema. Tenga en cuenta que este no es un año calendario, comienza en Equinox; 20/21 de marzo. Lo principal a ver es la fluctuación anual típica de +0.45...-0.75.

  • El eje X es de 365 días de equinoccio a equinoccio.
  • El eje Y es milisegundos (ms); Cyan Line es el promedio de fluctuaciones anuales. Y el punto cero es 86400.0017371 Segundos
  • Las líneas negras muestran la relación Mar-Tierra; Cambio en Albedo/evaporación bajo el ecuador solar, escalado matemáticamente al diagrama. =(7-(Tierra/Latitud longitud*10)^2)/10
  • Los picos naranjas muestran su posición en el ecuador del sol en diferentes días; el pico más alto es el solsticio de verano y el solsticio de invierno el más bajo. 0,1 = 10 latitudes.

Mi respuesta es; "De ninguna manera", Y que la Tierra gira debido al sol.

  • He calculado la funcionalidad e incluso he encontrado una explicación termodinámica razonable para esto, pero está fuera del alcance de esta pregunta.
  • Esta explicación también traería esta teoría QED de la gravedad de Feynman de vuelta al escritorio, lo que significa que solo la radiactividad permanece fuera de QED y, por lo tanto, la probabilidad de que también sea explicable con QED es mayor que la de que no lo sea. Lo que significa que QED es probablemente ToE.
No estoy seguro de cuál es tu pregunta. Tienes que considerar todo el sistema solar con todos sus cuerpos si quieres hacer algún tipo de argumento de conservación (ya sea de energía o de momento angular) aquí, ya que la Tierra no es un sistema cerrado. Para una parte de algún sistema, es completamente posible que su momento angular fluctúe un poco. ¿Cuál es la pregunta sobre eso?
Gracias. También he buscado otros planetas, Mercurio y Urano son realmente interesantes. Y sé que la Luna y la Tierra están conectadas. Pero no puedo ver ningún mecanismo a través de las gravitaciones planetarias que pueda aumentar la velocidad de rotación axial de la Tierra. Pero estoy seguro de que estaría feliz de escuchar uno. Editar; la pregunta es "¿De dónde vino esta aceleración/energía?"
Un mecanismo conocido para cambiar las velocidades de rotación es la aceleración de las mareas . Además, los números en su pregunta parecen tener la intención de sugerir que este es un efecto enorme, pero en escalas solares, es muy, muy pequeño. Que sea un efecto "grande" en la unidad Joule hecha por humanos no significa nada.
Creo que tenemos un habitual que conoce estas cosas con cierto detalle, pero no recuerdo quién en este momento.
@ACuriousMind La "aceleración" de las mareas no supera los 32 años. Solo la "desaceleración" lo hace. Y 25,6 x 10 ^ 21 J está cerca de la cantidad de energía que la humanidad ha usado alguna vez. Para poner esto en escala, la aceleración de 47 días es tan rápida que solo se necesitarían 389817 días para acelerar la rotación de la Tierra a la velocidad actual. Sólo 1067 Años.
@dmckee Los 11 dígitos no son relevantes. El cambio en el tiempo de rotación se mide en ms. Y se conoce la masa, por lo que el cambio es lo suficientemente preciso, aunque sea solo una fracción del total. Y sí, terremotos. Gracias. Pero si pones las cifras en el papel y calculas los resultados, obtienes cifras razonables. -No lo hice.
John R. Te dijo exactamente de dónde vino la mayor parte. Rechazaste su opinión y te las arreglaste para molestarlo lo suficiente como para que borrara su respuesta correcta, algo que nunca antes lo había visto hacer.
la duración del día ha disminuido en 1,8 microsegundos como resultado del terremoto de Japón de 2011; consulte, por ejemplo, mpe.dimacs.rutgers.edu/2013/05/04/…
@dmckee: los terremotos son un pequeño impulsor a corto plazo de las variaciones en la duración del día. Por ahora, estos siguen siendo un efecto teórico (aún no observable). El ruido de fondo en las mejores observaciones VLBI de LOD es del orden de 3 a 10 microsegundos (pero esto está mejorando). Se postula que los terremotos más grandes cambian el LOD de 1 a 2 microsegundos. Se necesita un orden de magnitud en las mediciones de LOD para observar los cambios inducidos por los terremotos. Las mareas terrestres, por otro lado, cambian el LOD en aproximadamente 1000 microsegundos.
Los datos LOD IERS 1962 2015 dan el gráfico LOD de WP que no es como el de la publicación. ¿Cuál es el enlace a la fuente de sus datos?
@HelderVelez Esta imagen es un promedio diario hecho por mí mismo a partir de todos los datos de 1962-2015. Con esto traté de filtrar todas las fluctuaciones a pequeña escala y hacer visible el patrón de fluctuación anual sistemática. Pero también muestra esta agradable curva sinusal con intervalos de aproximadamente 9 días.
No puedo conciliar tu gráfico con el de WP, que estoy seguro es correcto.
@HelderVelez ¡Claro que el gráfico de WP es correcto! Mi basura es diferente. Es sólo por un año; comienza en Equinox 20.3./21.3. y termina en el Equinoccio 19.3/20.3. Hice esto para sincronizar la posición solar/tierra. Entonces es un Promedio de todos los años 1962-2015. Entonces básicamente presenta un cambio promedio anual de LOD porque hay 53 días presentando un solo día. Este fue un gran trabajo para hacer con Excel. ¡Como necesitaba reconstruir todos los datos!

Respuestas (4)

¿Qué significa este pequeño cambio en forma de energía cinética rotacional?

Hay un problema con tu cálculo: asumiste un valor constante para el momento de inercia de la Tierra. La Luna y el Sol elevan las mareas en la Tierra misma. Estas mareas terrestres dan como resultado cambios sutiles en el momento de inercia de la Tierra. La firma de estas mareas se puede ver fácilmente en el exceso de longitud de los datos de 1998, siendo el eje horizontal ( MJD − 50814 ) / 27.32166156 − 0.15 , donde MJD es el número de día juliano modificado del día en cuestión. Acerca de esos números: 50814 es la fecha juliana del 1 de enero de 1998, 27,32166156 es el número de días en un mes sideral, y 0,15 hace que los picos coincidan con las líneas de la cuadrícula.

1998 exceso de duración del día vs mes sideral

Esas variaciones de las mareas representan aproximadamente la mitad del cambio de 2,5 milisegundos en el LOD del 23 de mayo al 9 de junio. Esos efectos de las mareas deben eliminarse al analizar las variaciones de la duración del día. La variación restante se atribuye principalmente a la atmósfera. Hay fuertes variaciones anuales y casi bienales en la duración del día, y casi todas estas variaciones se deben a la atmósfera. (Los océanos también juegan un papel menor). La correlación entre la duración del día y el momento angular atmosférico es muy fuerte, como se muestra a continuación.

Corrección fuerte entre AAM y el exceso de duración del día ajustado por mareas 3&trend=1&filter=Seleccionar+banda+arriba&P0=1&tr=95&spec=0&freqmin=-10&freqmax=10&choixspec=4&chi_g=1&chi_f=1&TC=433&QC=100&SUBMIT=Enviar+solicitud&an1=2009&mois1=1&jour1=1&an2=2013&mois2=31&jour


La anual y cuasi bienal pasó a estar en fase durante el verano de 1998. Además, 1997/1998 fue un año de El Niño muy fuerte. Esto transfirió el exceso de masa en forma de vapor de agua a la atmósfera durante el verano de 1998. El Niño hizo que el chorro subtropical del oeste del hemisferio norte se convirtiera en un chorro subtropical del este. Para hacer las cosas aún más fuertes, 1998 marcó el comienzo de una fuerte La Niña. La combinación de estos eventos provocó un cambio muy abrupto en la duración del día.


Pregunta; ¿Cómo es físicamente posible que tal cantidad de energía se almacene en la Tierra durante tanto tiempo y aún pueda recuperarse a una energía cinética rotacional que aún tenga la dirección de rotación correcta (la misma)?

Deberías mirar en cambio al momento angular. Esta es la respuesta a tu pregunta. Los pares externos actúan sobre la Tierra, a veces acelerándola, otras veces ralentizándola (ver el primer gráfico). Además de este comportamiento cíclico, estas interacciones de las mareas tienen un efecto secular más pequeño que aumenta la duración de un día en aproximadamente dos milisegundos por siglo. Después de tener en cuenta estas interacciones conocidas, lo que queda es esencialmente un sistema sin torque en el que se conserva el momento angular. (La energía no lo es). Los componentes principales de este sistema son el núcleo interno, el núcleo externo, la corteza y el manto, los océanos y la atmósfera.

Como se describió anteriormente, las variaciones rápidas (un par de años o más rápido) en la tasa de rotación de la corteza y el manto son en gran medida una consecuencia del intercambio de momento angular entre la corteza y la atmósfera, con los océanos jugando un papel reducido. Generalmente se supone que las variaciones a más largo plazo (de varios años a varias décadas) son el resultado de intercambios de momento angular entre el manto, el núcleo externo y el núcleo interno. Hay buenas (pero aún no muy buenas) correlaciones entre las variaciones a largo plazo en la duración del día y las variaciones en el campo geomagnético de la Tierra, y hay señales de que el núcleo interno está girando actualmente un poco más rápido que la corteza y el manto.

Referencias:

Jianli Chen, "Balance de masa global y variación de la duración del día", Journal of Geophysical Research: Solid Earth (1978–2012) 110.B8 (2005) .

John Gibson y Chopa Ma, "Firma de El Niño en la duración del día", en IERS Technical Note 26, 1999 .

Richard Holme y Olivier De Viron, "Caracterización e implicaciones de las variaciones intradecadales en la duración del día", Nature 499.7457 (2013): 202-204 .

Philip Livermore, Rainer Hollerbach y Andrew Jackson, "Deriva hacia el oeste impulsada electromagnéticamente y superrotación del núcleo interno en el núcleo de la Tierra", Actas de la Academia Nacional de Ciencias 110.40 (2013): 15914-15918 .

Richard Ray y Svetlana Erofeeva, "Variaciones de marea de período largo en la duración del día", Journal of Geophysical Research: Solid Earth 119.2 (2014): 1498-1509 .

Kevin Trenberth y Lesley Smith. "La masa de la atmósfera: una restricción en los análisis globales", Journal of Climate 18.6 (2005): 864-875 .

Gracias por interesante aporte. Todavía extraño los cálculos sobre las cantidades de energía. La energía siempre se conserva. Pero la Tierra no es un sistema cerrado, recibe y transmite calor (o radiación electromagnética, si lo prefiere). Pero solo eso. Gira alrededor de su eje libremente. El artículo sobre "Mareas terrestres" es muy interesante. Haré los cálculos que faltan, aunque la amplitud vertical a largo plazo del "nodo lunar" de 17 mm y el período de 18,6 años podrían no llenar la escala necesaria. Los cambios diurnos/semi-diurnos ya podrían ser neutralizados en el propio tiempo de rotación medido.
Bueno, hmm, revisé los datos de 2015. Parece que estos picos de rotación lenta se acercan a la luna nueva. (+/- 5 días) Y en cuanto a las mareas de la Tierra, parecen ser parecidas a las mareas del agua; el aumento siempre se compensa (fotos en su enlace, rojo y azul). No puedo ver ningún cálculo físico que pueda causar este cambio de orden de 1 ms. Y espero que estas variaciones planetarias sean realmente precisas. Pero puedo ver cómo la sombra de la luna nueva reduce el poder del sol causando una desaceleración bastante aleatoria y dependiente del clima aproximadamente en el momento de la luna nueva. -Te agradezco mucho este aporte.
@JokelaTurbine: al realizar los cálculos de energía, debe utilizar el momento de inercia de la corteza y el manto ( 7.13 × 10 37 kg·m 2 ) en lugar de la Tierra como un todo ( 8.04 × 10 37 ). Un cambio de un milisegundo en la velocidad de rotación de la corteza+manto es aproximadamente 4.4 × 10 21 julios Distribuir eso a lo largo de los 47 días desde el 23 de mayo hasta el 9 de julio es aproximadamente un teravatio. Eso es diminuto en comparación con los 174 teravatios que la Tierra recibe del Sol.
Sí. Gracias, estoy de acuerdo. Pero si la causa oficial de la rotación de la Tierra es hoy en día que gira porque "siempre ha girado", entonces no estás en voz alta para contar los 174 TW del sol. en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_rotation#Origin Pero, puedo estar fácilmente de acuerdo contigo en esta parte de mi pregunta; Mi respuesta es; "De ninguna manera", Y que la Tierra gira debido al sol. :-) Porque no puedo encontrar este Tervatio en ningún otro lugar que no sea el Sol.
@JokelaTurbine - ¡Espera! De hecho, la Tierra está girando porque siempre lo ha hecho (y porque los pares son pequeños). Hay una gran diferencia entre el Sol que proporciona energía para hacer que la atmósfera y la corteza y el manto giren a velocidades ligeramente diferentes y entre el Sol que hace que la Tierra gire.
Creo que esta discusión tan interesante debe continuar aquí. chat.stackexchange.com/rooms/30634/… No me molesto en escribir todo una y otra vez. Pero su respuesta me ha obligado a ajustarme la hoja de Excel. Y prepare un nuevo diagrama agregando todo lo provisto aquí. Lo que aún te falta, es ¿cómo podría el Sol acelerar la velocidad de rotación de la Tierra con 1 TW de potencia? Como si pudiera, entonces también puede ser la causa principal de la rotación.

Los cambios más abruptos en la velocidad de rotación de la Tierra se deben a las interacciones entre el manto y el núcleo. Estos cambios están correlacionados con un fenómeno conocido como sacudidas geomagnéticas : cambios repentinos en el campo magnético de la Tierra. ref1 Se desconoce el mecanismo, pero una teoría es que las columnas de Taylor en el núcleo exterior quedan atrapadas con bultos/protuberancias en el manto.

También hay un ciclo de 5,9 años descubierto recientemente que se cree que es causado por el "tambaleo" del manto en el núcleo líquido. ref2

La duración del día también se ve afectada por el ciclo de actividad del Sol (manchas solares). ref3

Datos LOD sin tendencia por décadas (con un promedio móvil de 6 meses), trazados con un ajuste de oscilación de 5,9 años (línea discontinua)Datos LOD sin tendencia por décadas (con un promedio móvil de 6 meses), trazados con un ajuste de oscilación de 5,9 años (línea discontinua)

Gracias por esta respuesta. También he pensado mucho en las interacciones entre el Manto y el núcleo, e incluso en el campo magnético. Una cosa conocida es que Mercurio no tiene atmósfera y tiene un campo magnético muy débil. Estudió rápidamente, estos idiotas; en.wikipedia.org/wiki/Geomagnetic_jerk no salta de este diagrama; upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5b/… Soy consciente y estoy de acuerdo con su comentario sobre la actividad del Sol y su afecto en LOD. Bueno, afirmo que toda la rotación tiene su origen en el sol.

A medida que la Tierra gira, la gravedad de la Luna hace que los océanos suban y bajen. (El Sol también hace esto, pero no tanto). Hay un poco de fricción entre las mareas y el giro de la Tierra, lo que hace que la rotación disminuya un poco.

Dado que la cantidad de agua en el océano varía, esto también afectará el efecto de rotación de las mareas. No puedo tomarme el tiempo para hacer los cálculos, pero esto parece razonable.

Esta puede ser la base para el giro, pero estoy seguro de que la diferencia iónica de 300,000 voltios de potencial entre la ionosfera y la tierra negativa mientras gira a través del campo magnético del sol creará una especie de arrastre de Lenz que también debe tenerse en cuenta en los cálculos. . Abordaré este último punto cuando tenga algo de tiempo libre.

Gracias por la respuesta. Las mareas van dos veces al día. Si calculamos que toda la Superficie del Océano del mundo (3,6 x 10^14 m2) se eleva un metro (habla para marea de 2 m) tendremos 3,53 x 10^18 Joule, que es aproximadamente el 0,03 % de la Energía escriturada . Sin embargo, tu idea sobre el campo magnético es nueva e interesante... ¡Gracias por eso!
Calculé el potencial de 300 000 voltios; si pudiera hacer el trabajo con 100% de eficiencia; esta aceleración de 47 días (4060800 segundos) necesitaría una corriente continua de 9 521 933 281 amperios. Pero casi no veo ningún mecanismo de cómo funcionaría esto.

Quiero responder a mi propia pregunta para resumir simplemente las diversas respuestas;

  • El cambio de 47 días en 1998 fue de 2,3579 ms. Energía 11,6 x10^21 J. Potencia necesaria 2857 Teravatios.
  • 32 El cambio de año 1973-2005 fue 5,2077 ms Energía 25,6 x10^21 J. Potencia necesaria 25,4 Teravatios
  • Cambio anual típico de 24.4. a 1.7. 1,19 ms, 68 días, Energía 5,85 x10^21 J. Potencia necesaria 1000 TW

¡Y ambos cambios aumentaron la velocidad de rotación de la Tierra!

  1. Resumen de mareas corporales

    • 0,3 ms durante un período de 14 días.
    • 0,16 ms durante un período de 28 días
    • 0,14 ms por período de 1/2 año
    • 0,02 ms durante un período de un año.
    • 0,126 ms para el período del nodo lunar; (18,6 años)

  2. Mareas oceánicas

    • Max 0.05 ms por un período de 14 días
    • 0,026 ms para un período de años
    • 0,024 ms para el período del nodo lunar

  3. Terremotos Sumatra 0.0068 ms

  4. sacudidas geomagnéticas;

    • Magnitud del cambio casi 0,1 ms (Holme & Viron 2013)

  5. potencial de la ionosfera;

    • No entiendo esto, ni el artículo de Livermore & Hollerbach 2013. ¿Significa que no tienen sentido? -NO, pero al menos nadie puede ni siquiera decir claramente si esto es causa o efecto, y cuál es la Magnitud.

  6. Núcleo y Manto de la Tierra

    • Energía necesaria para completar la aceleración de 32 años; 25,4 TW.
    • Calor interno de tierra 47 TW
    • La masa del núcleo es el 30% de la masa de la Tierra.

Se puede estimar que todo lo anterior causa la siguiente diferencia en la fluctuación anual del LOD; - Mareas corporales; 0,4-0,5 ms - descanso, máx. 0,1 ms Esto significa que aproximadamente 0,6 ms cambian en 68 días, lo que requiere 2,9 x 10^21 J de energía y 500 TW de potencia permanece sin explicación.

  1. Ambiente y Sol.

La celda de Hadley produce 198 TW de energía cinética a la atmósfera en promedio anual, pero las celdas de Ferrel consumen 275 TW, por lo que terminamos teniendo -77 TW de pérdida de energía cinética en el sistema.

Oscilación de Madden-Julian, MJO llueve con factor 5 en comparación con Hadley-Cell , y su altura también es de 15 km, en comparación con los 10-15 km de altura de Hadley. No encontré Información sobre la Energética de Madden-Julian, pero si la escalamos con factor 5, en base a la cantidad de lluvia, tendríamos (5 x 198 TW ~) 1000 TW. Debido a la naturaleza de MJO, fácilmente puede tener incluso una potencia mucho mayor. También es obvio que el MJO empuja y tira del aire en aproximadamente 13 000 km de distancia 1/3 de la circunferencia de la tierra, y simultáneamente hay una transferencia de masa a un radio mayor del orden de 7-10 km. Por lo tanto, la aceleración de LOD es posible.

Otras conclusiones sobre el efecto del Sol en LOD son;

  • Se detectó la influencia de las manchas solares (Lihua Ma, 2015).
  • La energía necesaria está fácilmente disponible; 173 000 teravatios
  • el 30 % de la energía se utiliza para producir vapor de agua/lluvia;
  • 1,38 x 10 ^15 kg / día, potencia necesaria al menos 26 118 Teravatios
  • Expansión de volumen 2,3 x 10 ^15 m3 (es decir, 10 km x 482 km x 482 km)
  • Crece alto durante el día, llueve al anochecer. (Cinturón de lluvia tropical)
  • Se mueve hacia el este con 5 m/s (Referencia) , lo que significa 432 km/día
  • Diariamente se levanta una masa de 1,38 x 10 ^15 kg hasta 10 km de altura, se mueve 400 km hacia el este y vuelve a llover.
  • Tenga en cuenta que la dirección del empuje está dada por la densidad del aire, que proviene de la temperatura del aire. La mañana a las 6 en punto es el punto más frío, y la tarde a las 15 en punto es la más calurosa.

Según Jianli Chen, 2005, Balance de masa global y variación de la duración del día, Resumen;

Sin embargo, cuando se aplica un balance de masa completo, las excitaciones hidrológicas y oceánicas estacionales se vuelven demasiado pequeñas para explicar los cambios de LOD residual.

Según Richard S. Gross, "Earth Rotation Variations - Long Period". página 20;

La fluctuación en la duración del día del período de 1500 años es actualmente de origen desconocido. Sin embargo, dada su gran amplitud, que es demasiado grande para ser causada por procesos atmosféricos y oceánicos pero que es comparable en tamaño a la amplitud de las variaciones decenales, probablemente sea causada por las mismas interacciones entre el núcleo y el manto, como el acoplamiento gravitacional, que se sabe que causan variaciones decenales en la duración del día.Variaciones LOD decenales

Se puede concluir que la producción de energía interna de la Tierra no puede proporcionar la potencia necesaria para las variaciones aceleradas de LOD. Además, se puede concluir que solo el consumo de energía de 77 TW de la combinación de Ferrel y Hadley Cell es suficiente para reducir el LOD alrededor de 15 ms en solo 30 años. Las corrientes marinas y otras pérdidas solo aumentarían esto. Por lo tanto, debe concluirse que la única fuente para la rotación puede ser el sol. Ya hay muchas aceleraciones de 4-5 ms observadas en el pasado, ocurridas en solo 20 años. Para ponerlos a escala, significa que el tiempo de rotación de 86400 s podría lograrse en solo aproximadamente 20 millones de años. Mira otros planetas; ¿Rotación de Urano? ¿Campo magnético de Venus?

Estoy de acuerdo en que hay una serie de fuerzas que causan el cambio de rotación en el momento, las variaciones de las mareas, la corteza y el manto frente al núcleo interno y las variaciones del campo magnético entre la tierra y la atmósfera, también creo que la turbulencia atmosférica también jugaría un papel, grandes tifones y huracanes también.
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