Колебания земли в движении вокруг солнца. С какой скоростью земля вращается вокруг своей оси

Вращение Земли вокруг своей оси

Вращение Земли – одно из движений Земли, которое отражает множество астрономических и геофизических явлений, происходящих на поверхности Земли, в её недрах, в атмосфере и океанах, а также в ближнем Космосе.

Вращением Земли объясняется смена дня и ночи, видимое суточное движение небесных тел, поворот плоскости качаний груза, подвешенного на нити, отклонение падающих тел к востоку и др. Вследствие вращения Земли на тела, движущиеся по её поверхности, действует Кориолиса сила, влияние которой проявляется в подмывании правых берегов рек в Северном полушарии и левых – в Южном полушарии Земли и в некоторых особенностях циркуляции атмосферы. Центробежной силой, порождаемой вращением Земли, частично объясняются различия в ускорении силы тяжести на экваторе и полюсах Земли.

Для исследования закономерностей вращения Земли вводят две системы координат с общим началом в центре масс Земли (рис.1.26). Земная система X 1 Y 1 Z 1 участвует в суточном вращении Земли и остаётся неподвижной относительно точек земной поверхности. Звёздная система координат XYZ не связана с суточным вращением Земли. Хотя её начало перемещается в мировом пространстве с некоторым ускорением, участвуя в годовом движении Земли вокруг Солнца в Галактике, но это движение относительно далёких звёзд можно считать равномерным и прямолинейным. Поэтому движение Земли в этой системе (как и любого небесного объекта) можно изучать по законам механики для инерциальной системы отсчёта. Плоскость XOY совмещена с плоскостью эклиптики, а ось X направлена в точку весеннего равноденствия γ начальной эпохи. В качестве осей земной системы координат удобно принимать главные оси инерции Земли, возможен и другой выбор осей. Положение земной системы относительно звёздной принято определять тремя эйлеровыми углами ψ, υ, φ.

Рис.1.26. Системы координат, применяемые для изучения вращения Земли

Основные сведения о вращения Земли доставляют наблюдения суточного движения небесных тел. Вращение Земли происходит с запада на восток, т.е. против часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса Земли.

Средний наклон экватора к эклиптике начальной эпохи (угол υ) почти постоянен (в 1900г. он был равен 23° 27¢ 08,26² и в течение 20 века увеличился менее чем на 0,1²). Линия пересечения экватора Земли и эклиптики начальной эпохи (линия узлов) медленно движется по эклиптике с востока на запад, перемещаясь на 1° 13¢ 57,08² в столетие, вследствие чего угол ψ изменяется на 360° за 25 800 лет (прецессия). Мгновенная ось вращения ОР всегда почти совпадает с наименьшей осью инерции Земли. Угол между этими осями по наблюдениям, выполненным с конца 19 века, не превосходит 0,4².

Промежуток времени, в течение которого Земля делает один оборот вокруг своей оси относительно какой-нибудь точки на небе, называется сутками. Точками, определяющими продолжительность суток, могут быть:

· точка весеннего равноденствия;

· центр видимого диска Солнца, смещённый годичной аберрацией («истинное Солнце»);

· «среднее Солнце» - фиктивная точка, положение которой на небе может быть вычислено теоретически для любого момента времени.

Определяемые этими точками три различных промежутка времени называются соответственно звёздными, истинными солнечными и средними солнечными сутками.

Скорость вращения Земли характеризуется относительной величиной

где П з – длительность земных суток, Т – длительность стандартных суток (атомных), которая равна 86400с;

- угловые скорости, соответствующие земным и стандартным суткам.

Поскольку величина ω изменяется только в девятом – восьмом знаке, то значения ν имеют порядок 10 -9 -10 -8 .

Один полный оборот вокруг своей оси Земля совершает относительно звёзд за меньший промежуток времени, чем относительно Солнца, так как Солнце движется по эклиптике в том же направлении, в каком вращается Земля.

Звёздные сутки определяются периодом вращения Земли вокруг своей оси по отношению к любой звезде, но так как звёзды имеют собственное и к тому же весьма сложное движение, то условились начало звёздных суток отсчитывать от момента верхней кульминации точки весеннего равноденствия, а за протяжённость звёздных суток принимают промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия, находящейся на одном и том же меридиане.

Вследствие явлений прецессии и нутации взаимное расположение небесного экватора и эклиптики непрерывно изменяется, а это значит, что соответствующим образом изменяется местоположение на эклиптике точки весеннего равноденствия. Установлено, что звёздные сутки на 0,0084сек короче действительного периода суточного вращения Земли и что Солнце, двигаясь по эклиптике, попадает в точку весеннего равноденствия раньше, чем оно попадает на то же самое место относительно звёзд.

Земля в свою очередь обращается вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсу, поэтому движение Солнца кажется нам с Земли неравномерным. Зимой истинные солнечные сутки больше, чем летом, Например, в конце декабря они равны 24 часа 04 минут 27 секунд, а в середине сентября – 24ч 03мин. 36сек. За среднюю единицу солнечных суток принято считать 24ч 03мин. 56,5554сек звёздного времени.

Угловая скорость Земли относительно Солнца из-за эллиптичности земной орбиты зависит от времени года. Медленнее всего Земля движется по орбите, находясь в перигелии – самой удалённой от Солнца точке своей орбиты. В результате длительность истинных солнечных суток в течение года неодинакова – эллиптичность орбиты изменяет длительность истинных солнечных суток по закону, который можно описать синусоидой с амплитудой 7,6 мин. и периодом в 1 год.

Вторая причина неравномерности суток – наклонение земной оси к эклиптике, приводящее к видимому движению Солнца вверх и вниз от экватора в течение года. Прямое восхождение Солнца вблизи равноденствий (рис.1.17) изменяется медленнее (так как Солнце движется под углом к экватору), чем во время солнцестояний, когда оно движется параллельно экватору. В результате к продолжительности истинных солнечных суток добавляется синусоидальный член с амплитудой 9,8 мин. и периодом в полгода. Есть и другие периодические эффекты, изменяющие длительность истинных солнечных суток и зависящие от времени, но они невелики.

В результате совместного действия этих эффектов самые короткие истинные солнечные сутки наблюдаются 26-27 марта и 12-13 сентября, а самые длинные – 18-19 июня и 20-21 декабря.

Чтобы устранить эту переменность, используют средние солнечные сутки, привязанные к так называемому среднему Солнцу – условной точке, движущейся равномерно по небесному экватору, а не по эклиптике, как реальное Солнце, и совпадающей с центром Солнца в момент весеннего равноденствия. Период обращения среднего Солнца по небесной сфере равен тропическому году.

Средние солнечные сутки не подвержены периодическим изменениям, как истинные солнечные сутки, но их длительность монотонно изменяется в связи с изменением периода осевого вращения Земли и (в меньшей степени) с изменением длительности тропического года, увеличиваясь примерно на 0,0017 секунды в столетие. Так, длительность средних солнечных суток в начале 2000 года была равна 86400,002 секунды СИ (секунда СИ определяется с использованием внутриатомного периодического процесса).

Звёздные сутки составляют 365,2422/366,2422=0,997270 средних солнечных суток. Эта величина – постоянное соотношение звёздного и солнечного времени.

Среднее солнечное время и звёздное время связаны между собой следующими соотношениями:

24 ч. ср. солнечного времени = 24ч. 03 мин. 56,555сек. звёздного времени

1ч. = 1ч. 00 мин. 09,856 сек.

1 мин. = 1 мин. 00,164 сек.

1 сек. = 1,003 сек.

24 ч. звёздного времени = 23 ч. 56 мин. 04,091 сек. ср. солнечного времени

1 ч. = 59 мин. 50,170 сек.

1 мин. = 59,836 сек.

1 сек. = 0,997 сек.

Время в любом измерении – звёздное, истинное солнечное или среднее солнечное – на различных меридианах разное. Но все точки, лежащие на одном и том же меридиане, в один и тот же момент времени имеют одинаковое время, которое называется местным временем. При перемещении по одной и той же параллели на запад или на восток время в исходной точке не будет соответствовать местному времени всех других географических точек, расположенных на данной параллели.

Чтобы в какой-то степени устранить этот недостаток, канадец С. Флешинг предложил ввести поясное время, т.е. систему счёта времени, основанную на разделении поверхности Земли на 24 часовых пояса, каждый из которых отстоит от соседнего пояса на 15° по долготе. Флешинг нанёс на карту мира 24 основных меридианов. Примерно на 7,5° к востоку и западу от них условно были нанесены границы часового времени данного пояса. Время одного и того же часового пояса в каждый момент для всех его пунктов считалось одинаковым.

До Флешинга во многих странах мира издавались карты с различными начальными меридианами. Так, например, в России счёт долгот вёлся от меридиана, проходящего через Пулковскую обсерваторию, во Франции – через Парижскую, в Германии – через Берлинскую, в Турции – через Стамбульскую. Чтобы ввести поясное время, надо было унифицировать единый начальный меридиан.

Поясное время впервые было введено в США в 1883г., а в 1884г. в Вашингтоне на Международной конференции, в работе которой принимала участие и Россия, было принято согласованное решение о поясном времени. Участники конференции условились считать начальным или нулевым меридианом меридиан Гринвичской обсерватории, а местное среднее солнечное время Гринвичского меридиана назвали всемирным или мировым временем. На конференции была установлена и так называемая «линия перемены даты».

В нашей стране поясное время было введено в 1919г. Приняв за основу международную систему часовых поясов и существовавшие тогда административные границы, на кару РСФСР были нанесены часовые пояса от II до XII включительно. Местное время часовых поясов, расположенных на востоке от Гринвичского меридиана, из пояса к поясу увеличивается на час, а на запад от Гринвича – соответственно на час уменьшается.

При счёте времени календарными сутками важно установить, на каком меридиане начинается новая дата (число месяца). По международному соглашению линия перемены даты проходит в большей своей части по меридиану, отстоящему от гринвичского на 180°, отступая от него: к западу – у острова Врангеля и Алеутских островов, к востоку – у побережья Азии, островов Фиджи, Самоа, Тонгатабу, Кермандек и Чатам.

К западу от линии перемены даты число месяца всегда на единицу больше, чем к востоку от неё. Поэтому после пересечения этой линии с запада на восток необходимо уменьшить число месяца на единицу, а после пересечения её с востока на запад – увеличить на единицу. Такое изменение даты обычно производится в ближайшую полночь после пересечения линии перемены дат. Совершенно очевидно, что новый календарный месяц и новый год начинаются на линии перемены дат.

Таким образом, нулевой меридиан и меридиан 180° в.д., по которому в основном проходит линия перемены даты, делят земной шар на западное и восточное полушария.

Всю историю человечества суточное вращение Земли всегда служило идеальным эталоном времени, который регулировал деятельность людей и был символом равномерности и точности.

Древнейшим инструментом для определения времени до нашей эры служил гномон, по-гречески указатель, вертикальный столб на выровненной площадке, тень которого, менявшая своё направление при перемещении Солнца, показывала на нанесённой на земле около столба шкале то или иное время дня. Солнечные часы известны с 7 века до н.э. Первоначально они были распространены в Египте и странах Ближнего Востока, откуда перешли в Грецию и Рим, а ещё позже проникли в страны Западной и Восточной Европы. Вопросами гномоники – искусству делать солнечные часы и умению пользоваться ими – занимались астрономы и математики древнего мира, средневековья и нового времени. В 18в. и в начале 19в. гномоника излагалась в учебниках математики.

И только после 1955г., когда требования физиков и астрономов к точности времени очень сильно возросли, стало невозможным удовлетворяться суточным вращением Земли как эталоном времени, уже неравномерным при требуемой точности. Время, определяемое по вращению Земли, неравномерно вследствие движений полюса и перераспределения момента количества движения между различными частями Земли (гидросферой, мантией, жидким ядром). Принятый для отсчёта времени меридиан определяется точкой МУН и точкой на экваторе, соответствующей нулевой долготе. Этот меридиан очень близок к гринвичскому.

Земля вращается неравномерно, что вызывает изменение продолжительности суток. Скорость вращения Земли наиболее просто можно охарактеризовать отклонением длительности земных суток от эталонных (86 400 с). Чем короче земные сутки, тем быстрее вращается Земля.

Выделяют три составляющие в величине изменения скорости вращения Земли: вековое замедление, периодические сезонные колебания и нерегулярные скачкообразные изменения.

Вековое замедление скорости вращения Земли обусловлено действием приливных сил притяжения Луны и Солнца. Приливообразующая сила растягивает Землю вдоль прямой, соединяющей её центр с центром возмущающего тела – Луны или Солнца. При этом сила сжатия Земли увеличивается, если равнодействующая совпадает с плоскостью экватора, и уменьшается, когда она отклоняется к тропикам. Момент инерции сжатой Земли больше, чем недеформированной шарообразной планеты, а поскольку момент импульса Земли (т.е. произведение её момента инерции на угловую скорость) должен оставаться постоянным, то скорость вращения сжатой Земли меньше, чем недеформированной. Ввиду того, что склонения Луны и Солнца, расстояния от Земли до Луны и Солнца постоянно меняются, приливообразующая сила колеблется во времени. Соответствующим образом меняется сжатие Земли, что, в конечном счёте, вызывает приливные колебания скорости вращения Земли. Наиболее значительными из них являются колебания с полумесячным и месячным периодами.

Замедление скорости вращения Земли обнаруживается при астрономических наблюдениях и палеонтологических исследованиях. Наблюдения античных солнечных затмений позволили сделать вывод, что длительность суток каждые 100 000 лет увеличивается на 2с. Палеонтологические наблюдения за кораллами показали, что кораллы тёплых морей растут, образуя поясок, толщина которого зависит от количества света, полученного за день. Таким образом, можно определить годовые изменения их строения и подсчитать число суток в году. В современную эпоху находят 365 поясов на кораллах. По палеонтологическим наблюдениям (табл.5) длительность суток возрастает линейно со временем на 1,9с за 100 000 лет.

Таблица 5

По наблюдениям за последние 250 лет сутки увеличивались на 0,0014с в столетие. По некоторым данным кроме приливного замедления имеет место увеличение скорости вращения на 0,001с в столетие, которое вызвано изменением момента инерции Земли вследствие медленного перемещения материи внутри Земли и на её поверхности. Собственное ускорение уменьшает продолжительность суток. Следовательно, если бы его не было, то сутки увеличивались бы на 0,0024с за столетие.

До создания атомных часов вращение Земли контролировалось путём сравнения наблюдённых и вычисленных координат Луны, Солнца и планет. Таким путём удалось получить представление об изменении скорости вращения Земли в течение трёх последних столетий – с конца 17в., когда стали вестись первые инструментальные наблюдения за движением Луны, Солнца и планет. Анализ этих данных показывает (рис.1.27), что с начала 17в. до середины 19в. скорость вращения Земли менялась мало. Со второй же половины 19в. по настоящее время наблюдались значительные нерегулярные флуктуации скорости с характерными временами порядка 60-70 лет.

Рис.1.27. Отклонение длительности суток от эталонных за 350 лет

Наиболее быстро Земля вращалась около 1870г., когда длительность земных суток была на 0,003с короче эталонных. Наиболее медленно - около 1903г., когда земные сутки были длиннее эталонных на 0,004с. С 1903 по 1934гг. происходило ускорение вращения Земли, с конца 30-х годов до 1972г. наблюдалось замедление, а с 1973г. по настоящее время Земля ускоряет своё вращение.

Периодические годичные и полугодичные колебания скорости вращения Земли объясняются периодическими изменениями момента инерции Земли из-за сезонной динамики атмосферы и планетарного распределения атмосферных осадков. По современным данным продолжительность суток в течение года меняется на ±0,001 секунды. При этом самые короткие сутки приходятся на июль-август, а самые длинные – на март.

Периодические изменения скорости вращения Земли имеют периоды 14 и 28 суток (лунные) и 6 месяцев и 1 год (солнечные). Минимальная скорость вращения Земли (ускорение равно нулю) соответствует 14 февраля, средняя скорость (ускорение максимально) – 28 мая, максимальная скорость (ускорение равно нулю) – 9 августа, средняя скорость (замедление минимально) – 6 ноября.

Наблюдаются и случайные изменения скорости вращения Земли, которые происходят через неравномерные промежутки времени, почти кратные одиннадцати годам. Абсолютная величина относительного изменения угловой скорости достигала в 1898г. 3,9×10 -8 , а в 1920г. – 4,5×10 -8 . Характер и природа случайных колебаний скорости вращения Земли мало изучены. Одна из гипотез объясняет нерегулярные флуктуации угловой скорости вращения Земли перекристаллизацией некоторых пород внутри Земли, изменяющей её момент инерции.

До открытия неравномерности вращения Земли производная единица меры времени – секунда – определялась как 1/86400 доля средних солнечных суток. Непостоянство средних солнечных суток вследствие неравномерного вращения Земли заставило отказаться от такого определения секунды.

В октябре 1959г. Международное Бюро мер и весов постановили дать следующее определение фундаментальной единице времени секунде:

«Секунда есть 1/31556925,9747 доля тропического года для 1900г., январь 0, в 12 часов эфемеридного времени».

Так определяемая секунда получила название «эфемеридной». Число 31556925,9747=86400´365,2421988 есть число секунд в тропическом году, продолжительность которого для 1900 года, январь 0, в 12 часов эфемеридного времени (равномерного ньютонианского времени) равнялась 365,2421988 средних солнечных суток.

Иными словами, эфемеридная секунда есть промежуток времени, равный 1/86400 доле средней продолжительности средних солнечных суток, которую они имели в 1900 году, в январе 0, в 12 часов эфемеридного времени. Таким образом, новое определение секунды было связано и с движением Земли вокруг Солнца, тогда как старое определение основывалось только на её вращении вокруг своей оси.

В наши дни время – физическая величина, которую можно измерить с наивысшей точностью. Единица времени – секунда «атомного» времени (секунда СИ) - приравнена продолжительности 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, была введена в 1967 году решением XII Генеральной конференции мер и весов, а в 1970 году «атомное» время было принято за фундаментальное реперное время. Относительная точность цезиевого эталона частоты составляет 10 -10 -10 -11 в течение нескольких лет. Эталон атомного времени не имеет ни суточных, ни вековых колебаний, не стареет и обладает достаточной определённостью, точностью и воспроизводимостью.

С введением атомного времени существенно улучшилась точность определения неравномерности вращения Земли. С этого момента появилась возможность регистрировать все колебания скорости вращения Земли с периодом более одного месяца. На рис.1.28 показан ход среднемесячных величин отклонений за период 1955-2000гг.

С 1956 по 1961г. вращение Земли ускорялось, с 1962 по 1972г. – замедлялось, а с 1973г. по настоящее время – снова ускорялось. Это ускорение ещё не закончилось и продлится до 2010г. Ускорение вращения 1958-1961гг. и замедление 1989-1994гг. являются кратковременными флуктуациями. Сезонные колебания приводят к тому, что скорость вращения Земли бывает наименьшей в апреле и ноябре, а наибольшей – в январе и июле. Январский максимум значительно меньше июльского. Разность между минимальной величиной отклонения длительности земных суток от эталонных в июле и максимальной в апреле или ноябре составляет 0,001с.

Рис.1.28. Среднемесячные отклонения длительности земных суток от эталонных за 45 лет

Изучение неравномерности вращения Земли, нутаций земной оси и движения полюсов имеет большое научное и практическое значение. Знание этих параметров необходимо для определения координат небесных и земных объектов. Они способствуют расширению наших знаний в различных областях наук о Земле.

В 80-е годы 20 века на смену астрономическим методам определения параметров вращения Земли пришли новые методы геодезии. Доплеровские наблюдения ИСЗ, лазерная локация Луны и ИСЗ, система глобального позиционирования GPS, радиоинтерферометрия являются эффективными средствами для изучения неравномерности вращения Земли и движения полюсов. Наиболее подходящими для радиоинтерферометрии являются квазары – мощные источники радиоизлучения чрезвычайно малого углового размера (менее 0,02²), которые являются, по-видимому, наиболее удалёнными объектами Вселенной, практически неподвижными на небе. Квазарная радиоинтерферометрия представляет эффективнейшее и независимое от оптических измерений средство для изучения вращательного движения Земли.

Суточное вращение земного шара приводит к последовательной смене дней и ночей, а его орбитальное движение - к чередованию времен года и смене самих годов. Движения эти наиболее важны для землян, ибо лежат в основе астрономических способов измерения времени, но они далеко не единственные. Несясь по околосолнечной орбите со средней скоростью около 30 км/с, наша Земля совершает еще немало других самых разнообразных движений.

Как уже говорилось, ось вращения Земли в течение всего года сохраняет неизменное положение в пространстве, то есть остается параллельной самой себе. А северный конец этой оси направлен к неподвижной точке неба вблизи Полярной звезды. И все же это не совсем так. Из века в век земная ось, подобно оси вращающегося волчка, медленно описывает конус, и вызывается это движение теми же силами, что и морские приливы,- притяжением Луны и Солнца. Только в данном случае они воздействуют не на воды океанов, а на массы Земли, образующие ее экваториальное вздутие.

В результате изменения направления земной оси в пространстве полюсы мира медленно перемещаются среди звезд по малому кругу с радиусом 23 градуса 26 минут дуги. Именно на такой угол ось вращения Земли отклонена от перпендикуляра к плоскости земной орбиты (плоскости эклиптики) и на такой же угол к плоскости эклиптики наклонен небесный экватор. Напомним: небесный экватор представляет собой большой круг, отстоящий от полюсов мира на 90 градусов. Он пересекается с эклиптикой в точках весеннего и осеннего равноденствия. И коль скоро небесный полюс движется, точки равноденствий медленно перемещаются по эклиптике навстречу видимому движению Солнца. В результате весна каждый год наступает на 20 минут и 24 секунды раньше, чем Солнце успевает обойти всю эклиптику. Отсюда это явление получило название прецессии , что в переводе с латинского означает "хождение вперед", или предварение равноденствий.

Расчеты показали, что полюс мира совершает полный круг на небесной сфере за 25 770 лет, то есть в течение почти 258 веков. В настоящее время он находится примерно в 46 угловых минутах от Полярной звезды. В 2103 году он приблизится к путеводной звезде на минимальное расстояние, равное 27 угловым минутам, а затем, двигаясь в направлении созвездия Цефея, станет от нее медленно удаляться.

В течение длительного времени Северный полюс мира не будет "отмечен" ни одной яркой звездой и только около 7500 года пройдет на расстоянии 2 градусов от альфы Цефея - звезды второй звездной величины, по силе блеска соперничающей с Полярной. Около 13 600 года в роли путеводного светила будет выступать ярчайшая звезда северного неба - Вега. Наконец наступит час, когда, вследствие дальнейшего перемещения полюса мира, с небес северных широт исчезнет царственный Сириус, но зато будет видно созвездие Южного Креста.

Прецессия усложняется так называемой нутацией - легким покачиванием земной оси. Подобно прецессии, оно происходит от воздействия нашего спутника на экваториальное вздутие земного шара. В результате сложения этих двух движений перемещение небесного полюса совершается не просто по кругу, а по слегка волнистой кривой. В этом и состоит четвертое движение Земли.

Не остается неизменным и наклон оси вращения Земли к плоскости орбиты. Наша планета, хотя и очень медленно, все же "покачивается", то есть наклон земной оси слегка меняется. В настоящее время он уменьшается примерно на 0,5 секунды дуги в год. Если бы это уменьшение происходило постоянно, то где-то в 177 000 году земляне получили бы прекрасную возможность жить на планете с перпендикулярной осью. Какие перемены произошли бы тогда в природе? На земном шаре с перпендикулярной осью не было бы больше никакой смены времен года. Его обитатели могли бы наслаждаться вечной весной! Однако размах колебаний наклона оси вращения Земли совсем невелик - не превышает 2-3 градусов. Нынешнее "выпрямление" земной оси обязательно прекратится, после чего ее наклон будет увеличиваться.

Напомним, что земная орбита представляет собой эллипс. И форма этого эллипса тоже подвержена медленным изменениям. Он становится то более, то менее вытянутым. В настоящее время эксцентриситет земного эллипса равняется 0,0167, а в 24 000 году земная орбита превратится почти в круг. Затем в течение 40 тысячелетий эксцентриситет станет снова возрастать, и так будет продолжаться, видимо, до тех пор, пока будет существовать сама наша планета. Это постоянное изменение эксцентриситета земной орбиты можно рассматривать как шестое движение Земли.

Планеты тоже не оставляют Землю в покое. В зависимости от своей массы и удаленности они оказывают на нее вполне ощутимое влияние. Так, большая ось земной орбиты, соединяющая ближайшую и наиболее отдаленную от Солнца точки земного пути (перигелий и афелий), благодаря совокупной гравитации планет медленно поворачивается. Этот цикл, длящийся 21 тыс. лет, составляет вековое изменение перигелия и является седьмым движением Земли.

В результате изменения ориентации земной орбиты медленно меняются сроки прохождения Земли через перигелий. И если сейчас Земля проходит через перигелий в первых числах января, то около 11 900 года она будет находиться в перигелии в дни летнего солнцестояния: зимы тогда будут особенно холодными, а летняя жара будет достигать наивысшего предела.

В популярных книгах по астрономии говорится, что "Луна обращается вокруг Земли", но выражение это не вполне точное. Дело в том, что не только Земля притягивает Луну, но и Луна притягивает Землю, и оба небесных тела движутся вместе, как одно целое, вокруг общего центра масс системы Земля-Луна. Масса Луны в 81,3 раза меньше массы Земли, и поэтому этот центр находится в 81,3 раза ближе к центру Земли, чем к центру Луны. Среднее расстояние между их центрами составляет 384 400 км. Оперируя этими данными, мы получим: центр масс системы Земля-Луна находится на расстоянии 4671 км от центра Земли по направлению к Луне, то есть на расстоянии 1707 км под поверхностью Земли (экваториальный радиус Земли - 6378 км). Вот вокруг этого центра Земля и Луна описывают в течение месяца свои орбиты. В результате Земля ежемесячно то приближается к Солнцу, то удаляется от него, что вызывает небольшие изменения видимого диаметра дневного светила. Это восьмое движение Земли.

Строго говоря, по околосолнечной орбите движется центр масс системы Земля-Луна. Поэтому траектория Земли должна быть похожа на слегка волнистую линию.

Если бы вокруг Солнца обращалась только одна Земля, то оба небесных тела описывали бы эллипсы вокруг общего центра масс системы Солнце-Земля. Но притяжение Солнца другими большими планетами заставляет этот центр описывать очень сложную кривую. И когда все планеты бывают расположены по одну сторону от центрального светила, они притягивают его к себе особенно сильно и смещают Солнце, отчего центр масс всей Солнечной системы выходит за пределы солнечного шара. Так возникает еще одно, девятое усложнение в движении Земли.

Наконец, сама наша Земля легко отзывается на притяжение других планет Солнечной системы. Ведь согласно закону Ньютона все небесные тела притягиваются одно другим с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату их расстояния. Это воздействие планет проявляется не лучшим образом - оно отклоняет Землю с ее эллиптического пути вокруг Солнца (с кеплеровой орбиты) и вызывает все те неправильности в ее орбитальном движении, которые называются возмущениями или пертурбациями . Наибольшее возмущение на Землю оказывает массивный гигант Юпитер и наша соседка Венера. Усложнение траектории движения Земли под действием притяжения планет и составляет ее десятое движение.

Уже давно установлено, что звезды движутся в пространстве с огромными скоростями. Не составляет исключения и наше Солнце. Относительно ближайших звезд оно летит в направлении созвездия Геркулеса со скоростью около 20 км/с, увлекая с собою всех своих спутников, в том числе и Землю. Перемещение Земли в пространстве, вызванное поступательным движением Солнца, является одиннадцатым движением нашей планеты. Благодаря этому нескончаемому полету мы навсегда покидаем ту область неба, где сияет Сириус, и приближаемся к неизведанным звездным глубинам, где ярко сверкает Вега. С тех пор как образовалась Земля, она ни разу не пролетала по знакомым местам и никогда не вернется в ту точку Вселенной, где мы находимся в данный момент.

Изобразим направление движения Солнца в пространстве прямой стрелой. Тогда та точка неба, к которой оно летит, составит с полюсом эклиптики угол около 40 градусов. Как видим, наше центральное светило движется совсем косо (по отношению к плоскости эклиптики), а Земля, подобно ястребу или орлу, описывает около него гигантскую спираль...

Если бы мы могли взглянуть на наш галактический звездный "остров" со стороны и среди 200 млрд звезд распознать наше Солнце, то мы установили бы, что оно движется вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с и свой путь завершает примерно за 230 млн лет. В этом стремительном полете вокруг галактического ядра вместе с Солнцем участвует вся Солнечная система, а для нашей Земли это - двенадцатое движение.

Полет Земли вместе с Солнцем вокруг ядра Галактики дополняется тринадцатым движением всей нашей звездной системы относительно центра скопления ближайших к нам галактик.

Следует отметить, что перечисленные тринадцать движений Земли далеко не исчерпывают всех ее возможных движений. Во Вселенной каждое небесное тело должно участвовать во множестве различных относительных движений.

Земля в пространстве перемещается подобно юле, которая вращается вокруг себя и одновремен-но движется по кругу. Наша планета так же осу-ществляет два основных движения: вращается вокруг своей оси и совершает движение вокруг Солнца.

Вращение Земли вокруг оси. Вы уже видели, как глобус-Земля вращается вокруг стержня-оси. Наша планета осуществляет такое движение постоянно. Но мы этого не замечаем, поскольку вместе с ней враща-емся и мы, и все земные тела — равнины, горы, реки, моря и даже воздух, окружающий Землю. Нам кажется, что Земля остаётся неподвижной, а перемещаются по небосклону Солнце, Луна и звёзды. Мы говорим, что Солнце восходит на востоке, а заходит на западе. В действительности, это Земля движется, вращаясь с запада на восток (против часовой стрелки).

Следовательно, вращаясь вокруг оси, Земля освеща-ется Солнцем то с одной стороны, то с другой (рис. 86). В результате этого на планете наступает то день, то ночь. Полный оборот вокруг своей оси Земля осуществляет за24 часа. Этот период называют сутками. Движение Земли вокруг оси равномерное и не прекращается ни на миг.

Вследствие вращения Земли вокруг своей оси про-исходит смена дня и ночи. Полный оборот вокруг оси наша планета осуществляет за сутки (24 ч).

Движение Земли вокруг Солнца. Земля движется вокруг Солнца по орбите. Полный оборот она делает за год — 365 дней .

Посмотрите внимательно на глобус. Вы заметите, что ось Земли не вертикальная, а наклонена под углом. Это имеет большое значение: наклон оси при движении Земли вокруг Солнца — причина смены времён года. Ведь солнечные лучи на протяжении года освещают больше то Северное полушарие (и день там длиннее), то Южное.

Вследствие наклона земной оси во время движения нашей планеты вокруг Солнца на Земле происходит смена времён года .

На протяжении года бывают дни, когда одно из полушарий, обернувшись к Солнцу, освещается наибольше, а другое — наименьше и наоборот. Это дни солнцестояния . За время одного оборота Земли во-круг Солнца бывает два солнцестояния: летнее и зимнее. Дважды в год оба полушария бывают освещены одинаково (тогда и продолжительность дня в обоих полушариях одинакова). Это дни равноденствия .

Рассмотрите рис. 87 и проследите движение Зем-ли по орбите. Когда Земля обращена к Солнцу Се-верным полюсом, оно больше освещает и нагревает Северное полушарие. Дни становятся длиннее, чем ночи. Наступает тёплое время года — лето. 22 июня день будет самым длинным, а ночь — самой корот-кой в году, это день летнего солнцестояния . В это время Солнце меньше освещает и нагревает Южное полушарие. Там зима. Материал с сайта

Через три месяца, 23 сентября , Земля занимает такое положение относительно Солнца, когда сол-нечные лучи одинаково будут освещать как Север-ное, так и Южное полушария. На всей Земле, кроме полюсов, день будет равен ночи (по 12 часов). Этот день называют днём осеннего равноденствия. Ещё через три месяца к Солнцу будет обращено Южное полушарие. Там наступит лето. При этом у нас, в Се-верном полушарии, будет зима. 22 декабря день бу-дет самым коротким, а ночь — самой длинной. Это день зимнего солнцестояния . 21 марта снова оба полушария будут освещены одинаково, день будет равен ночи. Это день весеннего равноденствия .

На протяжении года (за время полного оборота Земли вокруг Солнца) по освещённости земной поверхности различают дни:

• солнцестояния — зимнего 22 декабря, летнего 22 июня;
• равноденствия — весеннего 21 марта, осеннего 23 сентября.

На протяжении года полушария Земли получают разное количество солнечного света и тепла. Происхо-дит смена времён (сезонов) года. Эти изменения ока-зывают влияние на все живые организмы на Земле.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском

Земля совершает не только суточное вращательное движение вокруг оси (подробнее: ), а обладает ещё поступательным движением по своей орбите вокруг Солнца , вместе с другими планетами чего мы, однако, не замечаем.

Земля вокруг солнца

Нам кажется, что Земля находится в неподвижном состоянии, а Солнце обращается вокруг неё.

Чтобы наиболее наглядно представить , вообразите, что ваш корабль бросил якорь и встал на рейд около какого-то портового города. Вы спустили шлюпку и пошли в устье небольшой реки. Стоит ясная и тихая погода. Шлюпка несётся по водной глади, и кажется, что берега реки быстро бегут вам навстречу, а шлюпка стоит неподвижно.

Вот такой же неподвижной люди раньше считали Землю, наблюдая кажущееся движение Солнца по зодиакальным созвездиям.

Всего в солнечной системе известно девять больших планет : Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон . Собственного света планеты не имеют, и если иногда мы наблюдаем их в виде очень ярких звёзд, то это потому, что они отражают падающий на них свет Солнца.

Планеты перемещаются по небу между звёздами, почему их и назвали планетами, то есть «блуждающими светилами».

Периоды вращения планет вокруг Солнца

Скорости и периоды вращения планет вокруг Солнца различны в зависимости от их расстояния до Солнца. Планеты, более близкие к Солнцу, вращаются с большей скоростью и совершают свои путь вокруг него в значительно более короткие промежутки времени, чем планеты, находящиеся дальше от Солнца.

Так, например, Меркурий – ближайшая к Солнцу планета – совершает свой путь вокруг Солнца всего лишь в 88 суток . Плутон, находящийся по сравнению со всеми другими известными нам планетами на самом далеком расстоянии от Солнца, – в 249 земных лет .

Пути, по которым вращаются планеты вокруг Солнца

Пути, по которым вращаются планеты вокруг Солнца , называются их орбитами . Орбиты планет представляют собой эллипсы, или вытянутые окружности. Впервые это доказал гениальный математик и астроном Иоганн Кеплер .

Степень вытянутости планетных орбит различна и сравнительно невелика. Наибольшей вытянутостью обладают орбиты Меркурия и Плутона. Что касается земной орбиты, то можно сказать, что она почти не отличается от окружности .

Эллипс нетрудно нарисовать. Возьмём небольшой длины нить и свяжем её концы между собой. Наденем эту нить на две булавки, воткнутые в лист бумаги, плотно лежащий на столе, одна от другой на расстоянии, немного меньшем половины всей нити.

Натянем карандашом нить и, сохраняя ее в этом положении, проведём им по листу бумаги, лежащему на столе. Получится эллипс.

Точки, в которые воткнуты булавки, называются фокусами . Солнце находится в одном из фокусов эллипсов орбит Земли и всех других планет солнечной системы.

Фокусы планетных орбит находятся очень близко к центрам эллипсов, которые лежат как раз посредине между фокусами.

Расстояние Земли от Солнца

Среднее расстояние Земли от Солнца составляет около 150 миллионов километров . Это расстояние почти в 3750 раз превышает длину окружности земного экватора. Чтобы покрыть расстояние от Земли до Солнца, поезд, движущийся со скоростью 50 километров в час, должен идти без остановок около 350 лет. Даже на самолёте, летящем со скоростью около 350 километров в час, нам потребовалось бы 50 лет, чтобы долететь до Солнца.

Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает за год, точнее в 365 ¼ суток. В это время наша планета покрывает в мировом пространстве расстояние около 900 миллионов километров. Более 20 тысяч лет должен безостановочно идти пешеход, проходя за каждый час 5 километров, чтобы пройти это расстояние. Самолёту, летящему со скоростью 350 километров в час, потребовалось бы около 300 лет, чтобы совершить беспосадочный перелёт на расстояние, равное годичному пути нашей Земли.

Каждую секунду Земля перемещается по своей орбите почти на 30 километров . В час она проходит путь около 108 тысяч километров . Представляете теперь себе, насколько велик годичный путь Земли и с какой громадной скоростью она мчится в безграничных мировых просторах.

Мы, постоянные земные пассажиры, не ощущаем ни сотрясений, ни каких-либо других неудобств в своём путешествии по Вселенной на этом «корабле». Нам не страшна бездна, окружающая нас, – мы крепко обосновались на нашей Земле.

Если бы мы могли создать такой летающий снаряд, скорость полёта которого равнялась бы скорости движения Земли вдоль своей орбиты или хотя бы даже 11 – 12 километрам в секунду, то этот снаряд при первом же своём полёте покинул бы Землю и, преодолев силу её притяжения, навсегда скрылся бы от наших взоров в безграничном мировом пространстве.

Если бы мы имели такую пушку, снаряды которой обладали бы скоростью полёта около 9 километров в секунду, то эти снаряды превратились бы в вечных спутников нашей планеты, они вечно кружились бы вокруг Земли и никак не могли бы ни улететь далеко в космическое пространство, ни упасть на Землю.

Путь Земли по орбите

Земля движется по своей орбите вокруг Солнца не с одинаковой скоростью. Чем ближе она находится к Солнцу, тем больше её скорость, и, наоборот – с удалением от Солнца её скорость уменьшается. В точке афелия (точка на земной орбите, которая дальше всего находится от Солнца), скорость движения Земли наименьшая, а в точке перигелия (точка на земной орбите, которая находится ближе всего к Солнцу) – наибольшая.

Что такое орбита? За какое время Земля совершает один оборот вокруг Солнца? Как земная ось располагается относительно плоскости орбиты?

1. Годовое движение Земли. Как и другие планеты, Земля по своей орбите вращается вдоль замкнутого круга вокруг Солнца. Но орбита Земли составляет при этом не правильный, а немного вытянутый круг. Поэтому Земля один раз в год близко подходит к Солнцу (3 января), один раз отходит на самую дальнюю точку орбиты (5 июля). Разница в расстоянии между самой близкой (147 млн. км) и самой дальней (152 млн. км) точками всего 5 млн. км. Это по сравнению со средним расстоянием от Земли до Солнца очень малая величина.
Земля проходит свой путь по орбите вокруг Солнца за 365 дней и 6 часов. Принято считать, что в году 365 дней. Оставшиеся 6 часов в сумме за 4 года составляют 24 часа или одни сутки, которые прибавляют через каждые 4 года к февралю. Тогда 3 года состоят из 365 дней, а четвертый год - из 366 дней. Год, состоящий из 366 дней, называют «високосным ». Февраль в таком году состоит из 29 дней, а в оставшиеся 3 года - из 28 дней.

2. Различие в распределении тепла на поверхности Земли. Количество тепла, поступающее на Землю от Солнца, прямо зависит от положения земной оси к плоскости орбиты. Если земная ось рас­положена перпендикулярно к плоскости орбиты, то на всей территории день был бы равен ночи в течение года. Поэтому не происходило бы смены времен года. Мы бы не знали ни лета, ни зимы, ни весны, ни осени. В экваториальном поясе все время было бы жаркое лето, в средних поясах - осень или весна, ближе к полюсам - весь год стояли бы морозные зимы.
В связи с этим природные пояса и зоны Земли тоже располагались бы иначе, чем сейчас.
Вместо густых лесов Северной Америки и Евразии раскинулась бы вечнозеленая тундра. А полярные стороны закрывал бы вечный щит снега и льда.
Но так как земная ось расположена не перпендикулярно к плоскости орбиты, а под углом в 66,5°, то солнечное тепло распределяется на поверхности Земли иначе. Величина наклона земной оси при движении вокруг Солнца не меняется. Поэтому в любой точке Земли угол падения солнечных лучей и длительность падения в течение года постоянно меняются. В результате меняется количество поступающего тепла и сменяются времена года.
В мае-августе Земля направлена к Солнцу северным полушарием (рис. 10), и на эту сторону планеты поступает больше тепла и света. Поэтому в северном полушарии лето, а в южном, наоборот, зима.

Рис. 10. Смена времен года в зависимости от места расположения Земли на орбите.

В декабре-феврале Земля оказывается на противоположной стороне. Теперь Солнце нагревает больше южное полушарие, там - лето, а в северном полушарии - зима.
В сентябре-ноябре, марте-мае земной шар повернут боком к Солнцу, свет и тепло распределяются на оба полушария. На одном из полушарий - весна, на другом - осень.

1. Почему Земля к Солнцу один раз приближается и один раз отдаляется в течение года?

2. За какое время Земля совершает один оборот вокруг Солнца?

3. Почему в феврале иногда 28 дней, а иногда 29 дней?

4. Почему происходит смена времен года?

5. Какие месяцы соответствуют зиме, весне, лету и осени в вашей местности? 6. В каких случаях не было бы смены времен года?

7. В вашей местности осень. Какое это время года на данной широте южного полушария?

8. Нарисуйте схему расположения Земли на орбите зимой, летом, весной, осенью в вашей местности.

Вопросы и задания для обобщения раздела «Земля - планета Солнечной системы»
1. Какие небесные тела входят в Солнечную систему?

2. Какое значение имеет расположение Земли в Солнечной системе?

3. Почему на других планетах, кроме Земли, нет условий для жизни?

4. Почему астероиды называют малыми планетами?
5. Почему древние люди считали Землю сначала плоской, потом дискообразной?
6. Какие есть доказательства о шарообразной форме Земли? Назовите все в полном объеме. Какие из них вы сами наблюдали?

7. Почему мы не замечаем шарообразную форму Земли?

8. Какое влияние оказывает шарообразная форма Земли на распространение тепла?

9. Какое значение имеет долгота дня и ночи для жизни на Земле?

10. Что происходило бы на Земле, если бы она не вращалась вокруг своей оси?

11. Во сколько лет 1 раз отмечают свой день рождения люди, родившиеся 29 февраля, и почему?

12. Почему и как на Земле происходит смена времен года?