日長の変動

地球の歴史の長い期間にわたって潮汐の影響で増加してきた一日の長さ( LOD )も、より短い時間スケールで変動する傾向があります。原子時計と衛星レーザー測距による正確な時間の測定により、LOD はさまざまな変化の影響を受けることが明らかになりました。これらの微妙な変化の周期は、数週間から数年にわたります。これらは、動的大気と地球自体の相互作用によるものです。国際地球自転・基準系サービス (IERS) がこれらの変化を監視しています。

外部トルクがない場合、地球全体のシステムとしての全角運動量は一定でなければなりません。内部トルクは、地球の核、マントル、地殻、海洋、大気、および氷圏の相対的な動きと質量の再分配によって生じます。全角運動量を一定に保つには、ある領域での角運動量の変化が、他の領域での角運動量の変化と必ずバランスをとらなければなりません。

地殻変動（大陸移動など）や極冠の融解は、ゆっくりとした世俗的（非周期的）な現象です。核とマントルの特徴的な結合時間は約10年と推定されており、地球の自転速度のいわゆる「10年変動」は、核内の変動がマントルに伝わった結果であると考えられています。^{[1] 1}日の長さ（LOD）は、数年から数週間までの時間スケールでも大幅に変化し（図）、外部トルクの影響を排除した後のLODの観測された変動は、内部トルクの作用の直接的な結果です。これらの短期的な変動は、固体地球と大気の相互作用によって生成された可能性が非常に高いです。

他の惑星の日の長さも変化しますが、特に金星は大気が非常にダイナミックで強いため、日の長さが最大20分も変動します。^[2]

大気角運動量（AAM）の軸方向成分の変化は、地球の地殻とマントルの角運動量の対応する変化を伴わなければなりません（角運動量保存の法則による）。マントル-地殻系の慣性モーメントは大気圧負荷の影響をわずかにしか受けないため、主に固体地球の角速度の変化、すなわちLODの変化が必要になります。LODは現在、わずか数時間の積分時間で高精度に測定でき、^[3]大気の一般循環モデルでは、モデル内でAAMの変化を高精度に決定できます。^[4] AAMとLODを比較すると、これらが高度に相関していることがわかります。特に、LODの年間周期は振幅が0.34ミリ秒で2月3日に最大となり、半年周期は振幅が0.29ミリ秒で5月8日に最大となり、^[5] 0.1ミリ秒程度の10日間の変動が認められます。エルニーニョ現象や準2年周期の振動を反映する季節間変動も観測されています。^[6] 現在では、数週間から数年の時間スケールでのLODの変化のほとんどは、AAMの変化によって引き起こされるという一般的な合意が得られています。^[7]

大気と地球の非気体部分の間で角運動量を交換する手段の 1 つは、蒸発と降水です。水循環は、海洋と大気の間で大量の水を移動させます。水 (蒸気) の質量が上昇すると、角運動量保存のため、その回転は遅くなります。同様に、雨として降る場合、角運動量保存のため、回転速度が増加します。海洋から大気へ、またはその逆への水の質量の全体的な移動は、固体/液体の地球の回転速度の変化を意味し、LOD に反映されます。^{[引用が必要]}

観測証拠によれば、約 10 日以上の期間では、AAM の変化とそれに対応する LOD の変化の間には大きな時間遅延がないことが示されています。これは、エクマン層のスピンダウン時間である約 7 日の時定数による表面摩擦により、大気と固体地球の間に強い結合があることを意味します。このスピンダウン時間は、大気の軸角運動量が地球表面に伝達される特徴的な時間であり、その逆も同様です。

地上の帯状風成分は、地球と大気の間の軸角運動量の伝達に最も効果的であり、大気の剛体回転を記述する成分です。^[8]この成分の帯状風は、赤道上で地面を基準とした 振幅uを持ち、 u  > 0 は超回転を示し、u  < 0 は固体地球に対する逆回転を示します。その他のすべての風項は、AAM を緯度とともに再分配するだけであり、地球全体で平均するとその効果は打ち消されます。

表面摩擦により、大気は逆回転の場合には地球から角運動量を「拾い上げ」、超回転の場合には地球に角運動量を放出する。より長い時間スケールで平均すると、固体地球との角運動量の交換は起こらない。地球と大気は切り離されている。これは、剛体回転の原因となる地上レベルの帯状風成分が平均してゼロでなければならないことを意味する。実際、地上で観測された気候平均帯状風の南北構造は、約± 30 度を超える中緯度では^西風（西から）、低緯度では東風（東から）（貿易風）と極付近（卓越風）を示している。^[9] 大気は低緯度と高緯度で地球から角運動量を拾い上げ、中緯度の地球に同量を伝達する。

剛体回転する帯状風成分の短期的な変動は、LOD の対応する変化を伴う。その影響の大きさを推定するために、大気全体が表面摩擦なしで速度u (m/s) で剛体回転すると仮定する。すると、この値は、1 日の長さΔ τ (ミリ秒)の対応する変化と次のように関係する^{[引用が必要]}

$${\displaystyle u\approx 2.7\Delta \tau .}$$

一日の長さの変化の年間成分Δ τ ≈ 0.34 ms は、 u ≈ 0.9 m/s のスーパーローテーションに対応し 、半年成分Δ τ ≈ 0.29  msは、 u ≈ 0.8  m/s に対応します。

• 大気のスーパーローテーション

• ラムベック、カート（2005年）。『地球の変動自転：地球物理学的原因と結果』（デジタル印刷第1版）。ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 9780521673303。