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.
Как и другие планеты Солнечной системы, совершает 2 основных движения: вокруг собственной оси и вокруг Солнца. С древнейших времён именно на этих двух регулярных движениях основывались расчёты времени и способность составлять календари.
Сутки – это время вращения вокруг собственной оси. Год – обращения вокруг Солнца. Деление на месяцы также находится в прямой связи с астрономическими феноменами – их продолжительность связана с фазами Луны.
Вращение Земли вокруг собственной оси
Наша планета вращается вокруг собственной оси с запада на восток, то есть против часовой стрелки (если смотреть со стороны Северного полюса.) Ось – это виртуальная прямая линия, пересекающая земной шар в районе Северного и Южного полюсов, т.е. полюса имеют фиксированное положение и не участвуют во вращательном движении, в то время как все другие точки расположения на земной поверхности вращаются, причём скорость вращения не идентична и зависит от их положения по отношению к экватору – чем ближе к экватору, тем скорость вращения выше.
Например, в районе Италии скорость вращения составляет примерно 1200 км\ч. Следствиями вращения Земли вокруг своей оси являются смена дня и ночи и видимое движение небесной сферы.
Действительно, создаётся впечатление, что звёзды и другие небесные тела ночного неба движутся в противоположном нашему с планетой движению направлении (то есть с востока на запад).
Кажется, что звёзды находятся вокруг Полярной звезды, которая расположена на воображаемой линии – продолжении земной оси в северном направлении. Движение звёзд не является доказательством того, что Земля вращается вокруг своей оси, ведь это движение могло бы быть следствием вращения небесной сферы, если считать, что планета занимает фиксированное, неподвижное положение в пространстве.
Маятник Фуко
Неопровержимое доказательство того, что Земля вращается вокруг собственной оси, было представлено в 1851 г. Фуко, который провёл известнейший эксперимент с маятником.
Представим, что, находясь на Северном полюсе, мы привели в колебательное движение маятник. Силой извне, действующей на маятник, является гравитация, при этом она не влияет на изменение направления колебаний. Если подготовить виртуальный маятник, оставляющий следы на поверхности, мы сможем удостоверится, что через некоторое время следы переместятся в направлении часовой стрелки.
Это вращение может быть связано с двумя факторами: или с вращением плоскости, на которой совершает колебательные движения маятник, или с вращением всей поверхности.
Первую гипотезу можно отбросить, принимая во внимание, что на маятнике нет сил, способных изменить плоскость колебательных движений. Отсюда следует, что вращается именно Земля, причём она совершает движения вокруг собственной оси. Этот эксперимент был проведён в Париже Фуко, он использовал огромный маятник в виде сферы из бронзы весом около 30 кг, подвешенный к 67-метровому тросу. На поверхности пола Пантеона была зафиксирована отправная точка колебательных движений.
Итак, вращается именно Земля, а не небесная сфера. Люди, ведущие с нашей планеты наблюдение за небом, фиксируют движение и Солнца, и планет, т.е. во Вселенной движутся все объекты.
Критерий времени – сутки
Сутки – это отрезок времени, за который Земля совершает полный оборот вокруг собственной оси. Существует два определения понятия “сутки”. “Солнечный сутки” – это промежуток времени вращения Земли, при котором за отправную точку берётся . Другое понятие – “сидерические сутки” – подразумевает другую отправную точку – любую звезду. Продолжительность двух видов суток неидентична. Долгота сидерических суток составляет 23 ч 56 мин 4 с, долгота же солнечных суток равна 24 часам.
Различная продолжительность связана с тем, что Земля, вращаясь вокруг собственной оси, совершает и орбитальное вращение вокруг Солнца.
В принципе, продолжительность солнечных суток (хотя и принимается за 24 часа) – величина непостоянная. Это связано с тем, что движение Земли по орбите происходит с переменной скоростью. Когда Земля находится ближе к Солнцу, скорость её движения по орбите выше, по мере удаления от светила скорость понижается. В связи с этим введено такое понятие, как “средние солнечные сутки”, именно их продолжительность 24 часа.
Обращение вокруг Солнца со скоростью 107 000 км/ч
Скорость обращения Земли вокруг Солнца – второе основное движение нашей планеты. Земля движется по эллиптической орбите, т.е. орбита имеет форму эллипса. Когда находится в непосредственной близости от Земли и попадает в её тень, случаются затмения. Среднее расстояние между Землёй и Солнцем составляет примерно 150 миллионов километров. В астрономии используется единица измерения расстояний внутри Солнечной системы; её называют “астрономическая единица” (а.е.).
Скорость с которой Земля движется по орбите, равна примерно 107 000 км/ч.
Угол, образованный земной осью и плоскостью эллипса, составляет примерно 66°33’, это величина постоянная.
Если наблюдать за Солнцем с Земли, создаётся впечатление, что именно оно движется по небосклону в течении года, проходя через звёзды и , составляющие Зодиак. На самом деле Солнце также проходит и через созвездие Змееносца, но оно не относится к Зодиакальному кругу.
В современную эпоху ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5°. Это приводит к смене времен года и неравенству дня и ночи - важнейшим следствиям обращения Земли по орбите вокруг Солнца.
Если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты, день всегда был бы равен ночи и нагревание земной поверхности в течение года уменьшалось бы от экватора к полюсам и смены времен года не было бы.
Наклон земной оси к плоскости орбиты и сохранение ее ориентировки в пространстве обусловливают различный угол падения солнечных лучей и соответственно различия в поступлении тепла на земную поверхность в разные сезоны года, а также неодинаковую продолжительность дня и ночи в течение года на всех широтах, кроме экватора, где день и ночь всегда равны 12 ч.
В дни равноденствий 21 марта и 23 сентября на всех широтах продолжительность дня и ночи равна 12 часам. Солнечные лучи на экваторе падают отвесно. В день летнего солнцестояния 22 июня лучи падают отвесно на северный тропик, широта которого равна 23 0 27". Круглые сутки освещенными оказываются не только приполюсные районы, но и пространство за ними до широты 66°33" (Полярный круг). В южном полушарии в это время освещенной оказывается лишь та ее часть, которая лежит между экватором и южным Полярным кругом (66°33"). За ним 22 июня земная поверхность не освещается.
В день зимнего солнцестояния 22 декабря все происходит наоборот. Солнечные лучи уже отвесно падают на южный тропик. Освещенными в южном полушарии оказываются участки, лежащие не только между экватором и тропиком, но и вокруг южного полюса. Такое положение продолжается до 21 марта, когда наступает день весеннего равноденствия. Годовое движение Земли вокруг Солнца при постоянном наклоне оси вращения ведет к регулярной смене времен года.
Пояса белых летних ночей и коротких зимних дней (58-66,5° с. ш. и ю.ш.) существуют непродолжительный срок. C приближением дня летнего солнцестояния наступает время белых ночей, а зимой - сумеречные дни. Появление белых ночей связано с преломлением лучей в земной атмосфере, вследствие чего светила кажутся выше своего действительного положения над уровнем горизонта.
Географические следствия суточного вращения Земли
Вращение Земли вокруг оси - еще одно важное свойство, которым обладает наша планета. Если смотреть с северного полюса, то вращение Земли происходит против часовой стрелки или, как принято считать, с запада на восток. Угол поворота на всех широтах одинаков. За один час каждая точка на поверхности Земли передвигается на 15° от ее первоначального положения. Но при этом линейная скорость находится в обратно пропорциональной зависимости от географической широты. На экваторе она равна 464 м/с, а на широте 65° - только 195 м/с. С осевым вращением Земли связано несколько географических следствий. Первое следствие относится к сжатию земного сфероида. Второе следствие - смена дня и ночи. Третье, наиболее существенное, значение вращения Земли состоит в образовании поворотной силы, или силы Кориолиса (вправо в северном полушарии, влево – в южном). На экваторе сила Кориолиса равна нулю. Под влиянием отклоняющей силы вращения Земли ветры умеренных широт обоих полушарий принимают преимущественно западное направление, а в тропических широтах - восточное (пассатное). Аналогичное проявление силы Кориолиса обнаруживается в направлении движения океанических вод. Однако морские течения под действием силы Кориолиса смещаются от направления господствующих ветров под углом 30-35° вправо или влево в зависимости от полушария. Пассатные ветры становятся причиной смещения потока, направленного к северу и югу от экватора. Для компенсации оттока здесь происходит подъем холодных глубинных вод. Поэтому температура поверхностной воды на экваторе оказывается ниже на 2-3°С, чем в соседних тропических областях. Медленный подъем глубинных вод в верхние слои океана называют апвеллингом, а опускание - даунвеллингом.
Кроме экваториального апвеллинга, подъем или опускание вод происходит вблизи береговой полосы водоемов
Кориолисовой силой можно объяснить почему правые берега рек северного полушария круче левых, а в южном полушарии - наоборот.
В повседневной жизни средним солнечным временем пользоваться неудобно, поскольку на каждом меридиане оно свое, местное время. Поэтому на Международном астрономическом конгрессе в 1884 г. был принят поясной счет времени. За поясное время принято местное время среднего меридиана каждого пояса. Время нулевого (Гринвичского) меридиана принято в качестве всемирного времени. Счет поясов ведется на восток. В двух соседних поясах поясное время отличается ровно на 1 ч.
В нашей стране поясное время введено с 1 июля 1919 г. Россия расположена в десяти часовых поясах: со второго по одиннадцатый. Однако в целях более рационального использования летом дневного света в нашей стране в 1930 г. специальным постановлением часы были переведены на 1 час вперед – было введено декретное время.
С 1981 г. на период с апреля по октябрь вводилось летнее время за счет перевода времени еще на час вперед по сравнению с декретным. Таким образом, летом время в Москве фактически соответствует местному времени на меридиане 60° в. д. Декретное время второго часового пояса называется московским.
Примерно вдоль 180° меридиана, в 1884 г. проведена международная линия перемены дат. Это условная линия, по обе стороны от которой часы и минуты совпадают, а календарные даты отличаются на одни сутки.
Период плавного перехода от дневного света к ночной темноте и обратно называется су мерками. В основе их лежит оптическое явление, наблюдаемое в атмосфере перед восходом и после захода Солнца, когда оно еще уже находится под линией горизонта, но освещает небосвод, от которого отражается свет. Продолжительность сумерек зависит от времени года и широты места наблюдения, на экваторе сумерки короткие, с увеличением широты возрастают. Различают три периода сумерек. Гражданские сумерки наблюдается, когда центр Солнца погружается под горизонт неглубоко (на угол до 6°) и ненадолго. Это фактически белые ночи, когда вечерняя заря сходится с утренней зарей. Летом они наблюдаются на широтах 60° и более. Навигационные сумерки наблюдаются, когда центр солнечного диска погружается под горизонт на 6-12°. При этом видна линия горизонта, и с корабля можно определить угол звезд над ней. И наконец, астрономические сумерки наблюдаются, когда центр диска Солнца погружается под горизонт на 12-18°.
Как и остальные планеты солнечной системы, наша планета совершает движение вокруг своего светила. Орбитой называется данный путь, проделываемый Землей. Явление параллактического смещения звезд и аберрация света звезд есть доказательство движения Земли по орбите. Время полного перемещения Земли вокруг Солнца равняется одному году.
Солнце двигается по эклиптике, отражая при этом движение Земли вдоль орбиты. При пересечении небесной сферы площадью ее орбиты, образуется большой круг, называемый эклиптикой. Под углом 23°27′ происходит пересечение плоскости небесного экватора и плоскости эклиптики. В местах, где происходят их пересечения, получаются точки осеннего и весеннего равноденствия. Два раза в год Солнце бывает в этих точках — 23 сентября и 21 марта, когда оно перемещается из северного полушария в южное или обратным путем.
Окружность, по стандарту называемая эллипсом, является орбитой Земли, в одном из фокусов которого располагается Солнце. Путь от Солнца до Земли изменяется на протяжении года, начиная от 147 миллионов км в перигелии, заканчивая до 152 миллионов км в афелии. Орбита имеет длину более 930 миллионов км. Барицентр Земли совершает движение с запада на восток со средней скоростью примерно 30 км/с и преодолевает все расстояние за 365 суток 6 часов 9 минут 9 секунд. Этот временной промежуток имеет название звездный год.
Временное расстояние между двумя последовательными передвижениями Солнца сквозь точку весеннего равноденствия имеет название тропический год. Такой год равен 365 суткам 5 часам 48 минутам 46 секундам, что на 20 мин короче звездного (сидерического) года. Это явление называется предварением равноденствий и вызывается прецессией.
Следствие перемещения Земли вокруг Солнца
Современный календарь (Григорианский) подстроен под длительность тропического года с погрешностью 1 день в 2800 лет. Поэтому даже через 100 тысяч лет зима будет приходиться главным образом на зимние месяцы, а лето на летние!
В нынешнюю эпоху ось передвижения Земли располагается под углом 66,5° к плоскости орбиты и совершает перемещение на протяжении года параллельно самой себе в пространстве. Следствием этого (движению нашей планеты по орбите около Солнца) является изменение времен года и неравенство ночи и дня.
Наклон оси
Из-за наклонности Земной оси к плоскости орбиты и сохранения ее расположения в пространстве, происходит разный угол падения лучей Солнца. Это создает существенные различия в поступлении теплового потока на земную кору в разные периоды года, а также разную длительность дня и ночи на протяжении года на всех широтах, не считая экватора, где день равняется ночи.
22 июня ось нашей планеты направлена северным концом к небесному светилу. Этот день называется днем летнего солнцестояния. 22 декабря ось Земли направлена южным концом к Солнцу. Этот день зовется днем зимнего солнцестояния. 21 марта является днем весеннего равноденствия, а 23 сентября — день осеннего равноденствия, оба полушария в эти дни имеют одинаковую освещенность.
| · · · · | |
Пятая по величине планета Солнечной системы – Земля, сформировавшаяся 4,54 млрд лет назад из протопланетарной пыли и газа, имеет форму не совсем правильного шара и вращается не только вокруг Солнца по орбите в форме слабовыраженного эллипса со средней скоростью равной приблизительно 100 тыс. км/час, но и вокруг своей собственной оси. Вращение происходит, если смотреть со стороны Северного полюса, в направлении с запада на восток или другими словами против часовой стрелки. Именно потому, что Земля вращается вокруг Солнца и в то же самое время вокруг своей собственной оси, абсолютно на всех участках данной планеты происходит периодическая смена дня и ночи, а также последовательная смена четырех времен года.
Среднее расстояние от Солнца до Земли составляет приблизительно 150 млн км, а разница между наименьшим и наибольшим расстоянием, равна приблизительно 4,8 млн км, при этом земная орбита меняет свой эксцентриситет очень незначительно, а цикл составляют 94 тыс. лет. Важным фактором, влияющим на климат Земли, является расстояние между ней и Солнцем. Имеются предположения, что ледниковый период на Земле наступил именно в то время, когда она находилась от Солнца на максимально возможном расстоянии.
«Лишний» день в календаре
Земля делает один оборот вокруг собственной оси примерно за 23 часа 56 минут, а один оборот вокруг Солнца происходит за 365 дней и 6 часов. Эта разница периодов постепенно накапливается и один раз в 4 года у нас в календаре появляется лишний день (29 февраля), и такой год называется високосным. Также на данный процесс оказывает определенное воздействие располагающаяся в непосредственной близости Луна, под действием гравитационного поля которой вращение Земли постепенно замедляется, а это свою очередь удлиняет сутки примерно на одну тысячную каждые 100 лет.
Грядут значительные климатические изменения
Смена времен года происходит вследствие наклона оси вращения Земли к орбите Солнца. Этот угол сейчас составляет 66° 33′. Притяжение других спутников и планет не меняет величину угла наклона земной оси, но заставляет Землю двигаться по круговому конусу — этот процесс называется прецессией. В данный момент положение оси Земли таково, что Северный полюс находится напротив Полярной звезды. В течение следующих 12 тыс. лет земная ось из-за воздействия прецессии сдвинется, и будет находиться напротив звезды Вега, что является только половиной пути (полный цикл прецессии равен 25800 лет), и вызовет очень значительные климатические изменения абсолютно на всей поверхности Земли.
Колебания, вызывающие изменение климата Земли
Дважды в месяц в момент прохождения над экватором и дважды в год, когда Солнце находится в этом же положении, притяжение прецессии уменьшается и становится равной нулю, после чего опять возрастает, т. е. темпы прецессии носят колебательный характер. Эти колебания носят название — нутация, максимального своего значения они достигают в среднем раз в 18,6 лет и по своему влиянию на климат занимают второе место после смены сезонов года.
Коротко в вращении Земли вокруг Солнца.