Вращение Земли вокруг своей оси и Солнца происходит непрерывно. Многие явления зависят от этого движения. Так, день сменяет ночь, один сезон другой, в разных областях устанавливается различный климат.
Суточное вращение Земли, по подсчетам ученых, составляет 23 часа, 56 минут, 4,09 секунды. Таким образом, происходит один полный оборот. Со скоростью приблизительно 1 670 км/час планета совершает движение вокруг оси. К полюсам скорость снижается до нуля.
Человек не замечает вращение связано с тем, что все предметы, находящиеся рядом с ним, движутся одновременно и параллельно с той же скоростью.
Осуществляется по орбите. Расположена она на воображаемой поверхности, проходящей сквозь центр нашей планеты и Эта поверхность именуется плоскостью орбиты.
Сквозь центр Земли проходит воображаемая линия между полюсами - ось. Эта линия и плоскость орбиты не перпендикулярны. Наклон оси примерно равен 23,5 градусам. Величина угла наклона всегда остается одинаковой. Линия, вокруг которой движется Земля, всегда наклонена в одну сторону.
Движение по орбите занимает у планеты год. Вращение Земли при этом осуществляется против часовой стрелки. Следует отметить, что орбита не является идеально круглой. Среднее расстояние до Солнца порядка ста пятидесяти миллионов километров. Оно (расстояние) меняется в среднем на три миллиона километров, формируя, таким образом, незначительный орбитальный овал.
Оборот Земли по орбите равен 957 млн. км. Это расстояние планета преодолевает за триста шестьдесят пять дней, шесть часов, девять минут и девять с половиной секунд. Согласно подсчетам, вращение Земли по орбите происходит со скоростью 29 километров в секунду.
Ученые выяснили, что движение планеты замедляется. Связано это, главным образом, с приливным торможением. На поверхности Земли под влиянием притяжения Луны (в большей степени) и Солнца формируются приливные валы. Они перемещаются с востока на запад (вслед за этими в противоположном движению нашей планеты направлении.
Меньшее значение придается приливам в литосфере Земли. При этом происходит деформация твердого тела в форме несколько запаздывающей приливной волны. Она провоцирует возникновение тормозящего момента, что способствует тому, что замедляется вращение Земли.
Необходимо отметить, что приливы в литосфере влияют на процесс торможения планеты всего лишь на 3%, остальные 97% приходятся на долю морских приливов. Эти данные удалось получить в результате создания карт волн лунных и солнечных приливов.
На скорость Земли оказывает воздействие и атмосферная циркуляция. Она считается основной причиной сезонного неравномерного атмосферы происходит с востока на запад в низких широтах, и с запада на восток - в высоких и умеренных широтах. При этом у западных ветров момент импульса положительный, а у восточных ветров отрицательный и, согласно расчетам, в несколько раз меньше, чем у первых. Эта разница перераспределяется между Землей и атмосферой. При усилении западного ветра или ослаблении восточного у атмосферы возрастает, а у Земли уменьшается. Таким образом, движение планеты замедляется. При усилении восточных ветров и ослаблении западных, соответственно, у атмосферы уменьшается момент импульса. Таким образом, движение Земли становится быстрее. Суммарный момент импульса у атмосферы и планеты является величиной неизменной.
Ученым удалось выяснить, что удлинение суток до 1620 года происходило в среднем на 2,4 миллисекунды в сто лет. После этого года величина уменьшилась практически вдвое и стала составлять 1,4 миллисекунды в сто лет. При этом согласно некоторым недавним подсчетам и наблюдениям, замедление Земли происходит в среднем на 2,25 миллисекунды в сто лет.
Люди с давних времен интересовались, почему ночь сменяется днем, зима весной, а лето осенью. Позже, когда на первые вопросы были найдены ответы, ученые начали поподробнее рассматривать Землю как объект , стараясь узнать, с какой скоростью Земля вращается вокруг Солнца и вокруг своей оси.
Движение Земли
Все небесные тела пребывают в движении, Земля не исключение. Причем у нее одновременно происходит осевое движение и движение вокруг Солнца.
Чтобы наглядно представить движение Земли , достаточно взглянуть на волчок, одновременно вращающийся вокруг оси и быстро перемещающийся по полу. Если бы этого движения не было, Земля не была бы пригодной для жизни. Так, наша планета без вращения вокруг своей оси была бы постоянно повернута к Солнцу одной своей стороной, на которой температура воздуха достигала бы +100 градусов, и вся имеющаяся на этом участке вода превратилась бы в пар. На другой же стороне температура была бы постоянно минусовая и всю поверхность этой части покрывали льды.
Орбита вращения
Вращение вокруг Солнца следует по определенной траектории – орбите, которая установилась за счет притяжения Солнца и скорости движения нашей планеты. Если бы притяжение было в несколько раз сильнее или скорость значительно ниже, то Земля упала на Солнце. А если бы притяжение исчезло
или сильно уменьшилось, то планета, ведомая своей центробежной силой, улетела по касательной в космос. Это было бы подобно тому, как если предмет, привязанный на веревку, вращать над головой, а затем резко отпустить.
Траектория движения Земли имеет форму эллипса, а не идеального круга, а расстояние до светила неодинаково в течение года. В январе планета подходит к точке, находящейся ближе всего к светилу, – она называется перигелием – и отстоит от светила на 147 млн км. А в июле Земля отдаляется от солнца на 152 млн км, подходя к точке, называемой афелием. За среднее расстояние принимают 150 млн км.
Земля движется по своей орбите с запада на восток, что соответствует направлению «против часовой стрелки».
На 1 оборот вокруг центра Солнечной системы Земле требуется 365 суток 5 часов 48 минут 46 секунд (1 астрономический год). Но для удобства за календарный год принято считать 365 дней, а оставшееся время «накапливается» и добавляет по одному дню к каждому високосному году.
Орбитальное расстояние равно 942 млн км. Исходя из расчетов, скорость Земли составляет 30 км в секунду или 107000 км/час. Для людей она остается незаметной, поскольку все люди и предметы движутся одинаково в системе координат. А между тем она очень большая. Для примера, наибольшая скорость гоночного автомобиля равна 300 км/час, что в 365 раз медленнее скорости Земли, несущейся по своей орбите.
Однако величина в 30 км/с непостоянна в связи с тем, что орбита представляет собой эллипс. Скорость движения нашей планеты в течение всего пути несколько колеблется. Наибольшая разница достигается при прохождении точек перигелия и афелия и составляет 1 км/с. То есть принятая скорость 30 км/с является средней.
Осевое вращение
Земная ось – условная линия, которую можно провести от северного к южному полюсу. Она проходит под углом в 66°33 относительно плоскости нашей планеты. Одно обращение происходит за 23 часа 56 минут и 4 секунды, это время обозначается звездными сутками.
Главный результат осевого вращения – смена дня и ночи на планете. Кроме того, за счет этого движения:
- Земля имеет форму со сплюснутыми полюсами;
- тела (течение рек, ветер), движущиеся в горизонтальной плоскости, несколько смещаются (в Южном полушарии – влево, в Северном – вправо).
Скорость осевого движения на разных участках значительно отличается. Самая высокая на экваторе – 465 м/с или 1674 км/час, она называется линейной. Такая скорость, например, в столице Эквадора. На участках севернее или южнее экватора скорость вращения снижается. К примеру, в Москве она почти в 2 раза ниже. Эти скорости называют угловыми
, их показатель становится меньше по мере приближения к полюсам. На самих же полюсах скорость равна нулю, то есть полюса – единственные части планеты, находящиеся без движения относительно оси.
Именно расположение оси под определенным углом определяет смену времен года. Находясь именно в таком положении, разные области планеты получают неодинаковое количество тепла в разное время. Если бы наша планета располагалась строго вертикально относительно Солнца, то времен года не было совсем, поскольку освещенные светилом в дневное время северные широты получали столько же тепла и света, сколько и южные широты.
На осевое вращение влияют следующие факторы:
- сезонные изменения (осадки, движение атмосферы);
- приливные волны против направления осевого движения.
Эти факторы тормозят планету, вследствие чего уменьшается ее скорость. Показатель этого уменьшения очень мал всего 1 секунда за 40000 лет, однако, за 1 млрд лет сутки удлинились с 17-и до 24-х часов.
Движение Земли продолжают изучать по сей день . Эти данные помогают составить более точные звездные карты, а также определить связь этого движения с природными процессами на нашей планете.
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?
Вы сидите, стоите или лежите, читая эту статью, и не ощущаете, что Земля вращается вокруг своей оси с бешеной скоростью - примерно 1 700 км/ч на экваторе. Однако скорость вращения не кажется такой уж быстрой, если перевести ее в км/с. Получится 0,5 км/с - едва заметная вспышка на радаре, в сравнении с другими окружающими нас скоростями.
Так же, как и другие планеты Солнечной системы, Земля вращается вокруг Солнца. И чтобы удерживаться на своей орбите, она двигается со скоростью 30 км/с. Венера и Меркурий, находящиеся ближе к Солнцу, двигаются быстрее, Марс, орбита которого проходит за орбитой Земли, движется намного медленнее нее.
Но даже Солнце не стоит на одном месте. Наша галактика Млечный Путь - огромная, массивная и тоже подвижная! Все звезды, планеты, газовые облака, частицы пыли, черные дыры, темная материя - все это движется относительно общего центра масс.
По предположениям ученых, Солнце находится на расстоянии 25 000 световых лет от центра нашей галактики и двигается по эллиптической орбите, совершая полный оборот каждые 220–250 млн лет. Получается, что скорость Солнца - около 200–220 км/с, что в сотни раз выше скорости движения Земли вокруг оси и в десятки раз выше скорости ее движения вокруг Солнца. Вот так выглядит движение нашей Солнечной системы.
Стационарна ли галактика? Снова нет. Гигантские космические объекты обладают большой массой, а следовательно, создают сильные гравитационные поля. Дайте Вселенной немного времени (а оно у нас было - примерно 13,8 миллиардов лет), и все начнет двигаться в направлении наибольшего притяжения. Вот почему Вселенная не однородна, а представляет собой галактики и группы галактик.
Что это означает для нас?
Это означает, что Млечный Путь тянут к себе другие галактики и группы галактик, расположенные поблизости. Это означает, что доминируют в этом процессе массивные объекты. И это означает, что не только наша галактика, но и все окружающие испытывают влияние этих «тягачей». Мы все ближе подходим к пониманию того, что происходит с нами в космическом пространстве, но нам все еще не хватает фактов, например:
- каковы были начальные условия, при которых зародилась Вселенная;
- как различные массы в галактике двигаются и изменяются со временем;
- как образовывался Млечный Путь и окружающие галактики и скопления;
- и как это происходит сейчас.
Однако есть трюк, который поможет нам разобраться.
Вселенную наполняет реликтовое излучение с температурой 2,725 К, которое сохранилось со времен Большого Взрыва. Кое-где есть крошечные отклонения - около 100 мкК, но общий температурный фон постоянен.
Это происходит потому, что Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад и до сих пор расширяется и охлаждается.
Через 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась до такой температуры, что стало возможным образование атомов водорода. До этого фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы: сталкивались с ними и обменивались энергией. По мере остывания Вселенной заряженных частиц стало меньше, а пространства между ними - больше. Фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве. Реликтовое излучение - это фотоны, которые были излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, но избежали рассеяния, так как рекомбинация уже началась. Они достигают Землю сквозь пространство Вселенной, которая продолжает расширяться.
Вы сами можете «увидеть» это излучение. Помехи, которые возникают на пустом канале телевизора, если вы используете простую антенну, похожую на заячьи уши, на 1% вызваны реликтовым излучением.
И все-таки температура реликтового фона не одинакова во всех направлениях. По результатам исследований миссии Planck, температура несколько различается в противоположных полушариях небесной сферы: она немного выше на участках неба южнее эклиптики - около 2,728 K, и ниже в другой половине - около 2,722 K.
Карта микроволнового фона, сделанная при помощи телескопа Planck.
Эта разница почти в 100 раз больше остальных наблюдаемых колебаний температуры реликтового фона, и это вводит в заблуждение. Почему так происходит? Ответ очевиден - эта разница происходит не из-за флуктуаций реликтового излучения, она появляется, потому что есть движение!
Когда вы приближаетесь к источнику света или он приближается к вам, спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону коротких волн (фиолетовое смещение), когда отдаляетесь от него или он от вас - спектральные линии смещаются в сторону длинных волн (красное смещение).
Реликтовое излучение не может быть более или менее энергичным, значит, мы движемся сквозь пространство. Эффект Доплера помогает определить, что наша Солнечная система движется относительно реликтового излучения со скоростью 368 ± 2 км/с, а местная группа галактик, включающая Млечный Путь, галактику Андромеды и галактику Треугольника, движется со скоростью 627 ± 22 км/с относительно реликтового излучения. Это так называемые пекулярные скорости галактик, которые составляют несколько сотен км/с. Помимо них существуют еще космологические скорости, обусловленные расширением Вселенной и рассчитываемые по закону Хаббла.
Благодаря остаточному излучению от Большого Взрыва мы можем наблюдать, что во Вселенной постоянно все движется и изменяется. И наша галактика - лишь часть этого процесса.
Период обращения Земли вокруг своей оси - величина постоянная. Астрономически она равна 23 часам 56 минутам и 4 секундам. Однако ученые не стали учитывать ничтожную погрешность, округлив эти цифры до 24 часов, или одних земных суток. Один такой оборот называется суточным вращением и происходит с запада на восток. Для человека с Земли это выглядит как утро, день и вечер, сменяющие друг друга. Другими словами, восход Солнца, полдень и заход светила полностью совпадают с суточным вращением планеты.
Что такое ось Земли?
Земную ось можно мысленно представить в виде воображаемой линии, вокруг которой третья от Солнца планета и вращается. Эта ось пересекает поверхность Земли в двух постоянных точках - в Северном и Южном географических полюсах. Если, к примеру, мысленно продолжить направление земной оси вверх, то она пройдет рядом с Полярной звездой. Кстати, именно этим и объясняется неподвижность Полярной звезды. Создается эффект, что небесная сфера движется вокруг оси, а значит, и вокруг этой звезды.
Еще человеку с Земли кажется, что звездное небо вращается в направлении с востока на запад. Но это не так. Видимое движение является лишь отражением истинного суточного вращения. Важно знать, что наша планета одновременно участвует не в одном, а как минимум в двух процессах. Она обращается вокруг земной оси и совершает орбитальное движение вокруг небесного светила.
Видимое перемещение Солнца - это такое же отражение истинного движения нашей планеты по своей орбите вокруг него. В результате чего сначала наступает день, а потом - ночь. Отметим, что одно движение немыслимо без другого! Таковы законы Вселенной. При этом если период обращения Земли вокруг своей оси равен одним земным суткам, то время ее движения вокруг небесного светила - величина непостоянная. Узнаем, что же влияет на эти показатели.
Что влияет на скорость орбитального вращения Земли?
Период обращения Земли вокруг своей оси - это величина постоянная, чего не скажешь о скорости, с которой голубая планета движется по орбите вокруг светила. Долгое время астрономы думали, что эта скорость постоянна. Оказалось, что нет! В настоящее время благодаря наиболее точным измерительным приборам ученые обнаружили небольшое отклонение в ранее полученных цифрах.
Причина такой изменчивости - трение, возникающее во время морских приливов. Именно оно непосредственно влияет на уменьшение орбитальной скорости третьей от Солнца планеты. В свою очередь, приливы и отливы - это следствие действия на Землю ее постоянного спутника - Луны. Такой оборот планеты вокруг небесного светила человек не замечает, так же как и период обращения Земли вокруг оси. Но мы не можем не обращать своего внимания на весна сменяется летом, лето - осенью, а осень - зимой. И так происходит постоянно. Это и есть следствие орбитального движения планеты, длящегося 365,25 суток, или один земной год.
Стоит отметить, что Земля движется относительно Солнца неравномерно. Например, в одних точках она наиболее приближена к небесному светилу, а в других - наиболее удалена от него. И еще: орбита вокруг Земли - это не окружность, а овал, или эллипс.
Почему человек не замечает суточного вращения?
Человек никогда не сможет заметить вращения планеты, находясь на ее поверхности. Это объясняется разностью размеров наших и земного шара - слишком огромен он для нас! Период обращения Земли вокруг своей оси никак не получится заметить, но удастся ощутить: день сменится ночью и наоборот. Об этом уже говорилось выше. Но что было бы, если бы голубая планета не смогла вращаться вокруг оси? А вот что: на одной стороне Земли был бы вечный день, а на другой - вечная ночь! Ужасно, не так ли?
Важно знать!
Итак, период обращения Земли вокруг своей оси составляет почти 24 часа, а время ее «путешествия» вокруг Солнца - около 365,25 дней (один земной год), поскольку эта величина - непостоянная. Обратим ваше внимание на то, что, кроме двух рассмотренных движений, Земля участвует и в других. Например, она вместе с остальными планетами совершает движение относительно Млечного Пути - нашей родной Галактики. В свою очередь, совершает некоторое движение относительно других соседних галактик. И все происходит потому, что во Вселенной не было и никогда не будет ничего неизменного и неподвижного! Это нужно запомнить на всю жизнь.