Международная служба вращения Земли

Международная служба вращения Земли (МСВЗ; англ. International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS) — международная научная организация, занимающаяся определением параметров вращения Земли, поддержанием и распространением Международной небесной системы координат (ICRS) и Международной земной системы координат (ITRS), а также обеспечением всемирного координированного времени (UTC). Служба была создана в 1987 году Международным союзом геодезии и геофизики (IUGG) и Международным астрономическим союзом (IAU) и начала полноценную работу 1 января 1988 года, заменив Международное бюро времени (BIH) и другие организации, занимавшиеся аналогичными задачами.

История

Предшественники

До создания МСВЗ координацией измерений вращения Земли занимались несколько организаций. С 1919 года Международное бюро времени (фр. Bureau International de l'Heure, BIH) отвечало за определение всемирного времени (UT1) и координацию служб времени. В 1950-е годы, с развитием радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) и спутниковой геодезии, возникла необходимость в единой системе координат. В 1970-х годах Международный астрономический союз (IAU) начал работу по созданию новой небесной системы отсчёта.

Создание МСВЗ

В 1987 году на совместной ассамблее IUGG и IAU было принято решение о создании IERS. Основной целью новой службы стало объединение усилий геодезистов, астрономов и геофизиков для точного определения параметров вращения Земли (ПВЗ) и поддержания систем координат. Первым директором МСВЗ стал французский астроном Жан Ковалевски. Штаб-квартира организации располагалась в Париже (Франция) до 2000 года, после чего функции центрального бюро перешли к Федеральному агентству по картографии и геодезии (BKG) во Франкфурте-на-Майне (Германия).

Развитие и современность

С 1990-х годов МСВЗ активно использует данные глобальных навигационных спутниковых систем (GPS, ГЛОНАСС), лазерной локации спутников (SLR) и РСДБ. В 2000 году организация перешла на новую систему ITRS, основанную на данных более 200 станций наблюдения. С 2003 года МСВЗ координирует работу с Международной службой ГНСС (IGS) и Международной службой лазерной локации (ILRS). В 2010-х годах точность определения параметров вращения Земли достигла уровня 0,1 миллисекунды дуги для полюсного движения и 0,1 миллисекунды для всемирного времени.

Структура и управление

Центральное бюро

Центральное бюро МСВЗ (IERS Central Bureau) отвечает за общую координацию работы, ведение архивов и распространение данных. Оно расположено в Федеральном агентстве по картографии и геодезии (BKG) во Франкфурте-на-Майне (Германия). Центральное бюро публикует ежегодные отчёты, бюллетени и поддерживает веб-сайт организации.

Технические центры

МСВЗ включает несколько технических центров, каждый из которых специализируется на определённых аспектах:

• Центр по небесной системе отсчёта (ICRS Centre) — поддерживает Международную небесную систему координат на основе наблюдений внегалактических радиоисточников.
• Центр по земной системе отсчёта (ITRS Centre) — поддерживает Международную земную систему координат, объединяя данные геодезических измерений.
• Центр по параметрам вращения Земли (EOP Centre) — вычисляет и публикует параметры вращения Земли (полюсное движение, всемирное время UT1, нутацию).
• Центр по быстрому обслуживанию (Rapid Service/Prediction Centre) — предоставляет оперативные данные для навигации и связи.

Сеть станций

МСВЗ координирует работу более 300 станций наблюдения по всему миру, включая:

• Станции РСДБ (около 40), измеряющие положение квазаров.
• Станции лазерной локации спутников (SLR, около 30).
• Станции глобальных навигационных спутниковых систем (GPS/ГЛОНАСС, более 200).
• Станции доплеровской орбитографии (DORIS, около 60).

Основные задачи

Определение параметров вращения Земли

МСВЗ ежедневно вычисляет пять основных параметров вращения Земли (ПВЗ):

1. Всемирное время UT1 — время, основанное на вращении Земли, отличающееся от атомного времени (TAI) на поправку DUT1.
2. Координаты полюса (x, y) — положение оси вращения Земли относительно земной коры (полюсное движение).
3. Нутация — периодические колебания оси вращения Земли, вызванные гравитационным воздействием Луны и Солнца.

Поддержание систем координат

МСВЗ поддерживает две основные системы координат:

• Международная небесная система координат (ICRS) — инерциальная система отсчёта, основанная на положениях внегалактических радиоисточников (квазаров). Её реализация — Международный небесный опорный кадр (ICRF).
• Международная земная система координат (ITRS) — земная система отсчёта, привязанная к коре Земли. Её реализация — Международный земной опорный кадр (ITRF), обновляемый каждые несколько лет.

Обеспечение всемирного координированного времени

МСВЗ участвует в поддержании всемирного координированного времени (UTC) путём расчёта поправки DUT1 (разницы между UT1 и UTC). Когда DUT1 превышает 0,9 секунды, Международная служба вращения Земли рекомендует введение секунды координации (високосной секунды) для синхронизации UTC с астрономическим временем. Последняя такая секунда была добавлена 31 декабря 2016 года.

Методы наблюдений

Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ)

РСДБ используется для определения параметров вращения Земли с точностью до 0,1 миллисекунды дуги. Метод основан на одновременных наблюдениях квазаров с нескольких радиотелескопов, разнесённых на тысячи километров. РСДБ позволяет измерять всемирное время UT1 и нутацию.

Лазерная локация спутников (SLR)

SLR измеряет расстояния до спутников с помощью лазерных импульсов. Данные используются для определения координат полюса и уточнения земной системы отсчёта. Точность измерений составляет несколько миллиметров.

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС)

Сеть станций GPS и ГЛОНАСС предоставляет непрерывные данные о положении полюса и вращении Земли. Метод обеспечивает высокую временную разрешающую способность (до 1 часа).

Доплеровская орбитография (DORIS)

Французская система DORIS использует доплеровский сдвиг радиосигналов от спутников для измерения движения станций. Применяется для уточнения ITRF.

Продукты и публикации

Бюллетени

МСВЗ выпускает несколько серий бюллетеней:

• IERS Bulletin A — еженедельные данные о параметрах вращения Земли (UT1, полюсное движение) с прогнозом на 90 дней.
• IERS Bulletin B — ежемесячные окончательные данные о ПВЗ с высокой точностью.
• IERS Bulletin C — информация о введении секунд координации.
• IERS Bulletin D — данные о нутации.

Технические отчёты

Ежегодно публикуется «IERS Annual Report», содержащий обзор работы службы, результаты измерений и обновления систем координат. Также выпускаются технические руководства (IERS Technical Notes) по методам наблюдений и обработки данных.

Базы данных

МСВЗ предоставляет открытый доступ к архивам данных через веб-портал. Включает:

• Параметры вращения Земли с 1962 года.
• Координаты станций ITRF.
• Каталоги квазаров для ICRF.

Значение и применение

Навигация и связь

Данные МСВЗ критически важны для глобальных навигационных спутниковых систем (GPS, ГЛОНАСС, Galileo). Поправки на вращение Земли (UT1, полюсное движение) позволяют достичь точности позиционирования до нескольких метров. Без этих данных спутниковые системы не могли бы корректно определять координаты на поверхности Земли.

Астрономия и космические исследования

МСВЗ обеспечивает точную привязку астрономических наблюдений к земной системе отсчёта. Данные используются при расчёте орбит космических аппаратов, в том числе для миссий к Луне и Марсу. Нутационные модели МСВЗ применяются в радиоастрономии и при изучении гравитационного поля Земли.

Геофизика и климатология

Параметры вращения Земли позволяют изучать процессы в ядре и мантии Земли, движение тектонических плит и изменения уровня моря. Данные МСВЗ используются в моделях глобального изменения климата, в частности для оценки влияния таяния ледников на вращение планеты.

Критика и ограничения

Точность и временная задержка

Несмотря на высокую точность (до 0,1 миллисекунды дуги), данные МСВЗ имеют временную задержку от нескольких часов до нескольких дней для оперативных продуктов. Это ограничивает их использование в системах реального времени, требующих мгновенной коррекции.

Секунды координации

Введение секунд координации (високосных секунд) вызывает споры в научном сообществе. С 1972 года было добавлено 27 таких секунд, что создаёт проблемы для компьютерных систем и телекоммуникаций. В 2022 году на Всемирной конференции радиосвязи было принято решение о возможной отмене секунд координации к 2035 году.

Зависимость от наземной инфраструктуры

Работа МСВЗ зависит от глобальной сети станций, многие из которых расположены в удалённых районах. Политические и экономические факторы могут нарушать сбор данных, особенно в регионах с нестабильной ситуацией.

Интересные факты

• Данные МСВЗ используются для синхронизации времени в интернете через протокол NTP (Network Time Protocol).
• В 2019 году МСВЗ обновила ITRF до версии ITRF2014, включившей данные о движении тектонических плит с точностью до 1 миллиметра в год.
• Организация участвует в проекте «Всемирная геодезическая система» (WGS), обеспечивая привязку к ITRF для военных и гражданских нужд.

Источники

• IERS Annual Report 2022. Frankfurt: Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, 2023.
• McCarthy, D. D., & Petit, G. (Eds.). IERS Conventions 2010. IERS Technical Note No. 36. Frankfurt: Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, 2010.
• Seidelmann, P. K. (Ed.). Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac. Mill Valley: University Science Books, 1992.
• Bizouard, C., & Gambis, D. The Combined Solution C04 for Earth Orientation Parameters. IERS Technical Note No. 37, 2011.
• Petit, G., & Luzum, B. IERS Conventions 2010. IERS Technical Note No. 36. Frankfurt: Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, 2010.