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.

Шарообразна, однако, это не идеальный шар. Из-за вращения планета немного сплюснута у полюсов, такую фигуру принято называть сфероидом или геоидом — «подобным земле».

Земля огромна, ее размер трудно представить. Основные параметры нашей планеты следующие:

• Диаметр — 12570 км
• Длина экватора — 40076 км
• Длина любого меридиана - 40008 км
• Общая площадь поверхности Земли — 510 млн. км2
• Радиусу полюсов - 6357 км
• Радиусу экватора — 6378 км

Земля одновременно вращается вокруг солнца и вокруг собственной оси.

Земля вращается вокруг наклонной оси с запада на восток. Половина земного шара освещается солнцем, там в это время день, вторая половина находится в тени, там ночь. Благодаря вращению Земли происходит смена дня и ночи. Один оборот вокруг своей оси Земля делает за 24 часа — сутки.

Из-за вращения происходит отклонение движущихся потоков (рек, ветров) в северном полушарии — вправо, а в южном — влево.

Вращение Земли вокруг Солнца

Вокруг солнца Земля вращается по круговой орбите, полный оборот совершается за 1 год. Земная ось не вертикальна, она наклонена под углом 66,5° к орбите, угол этот остается постоянным во время всего вращения. Главным следствием этого вращения является смена времен года.

Рассмотрим крайние точки вращения Земли вокруг Солнца.

• 22 декабря — день зимнего солнцестояния. Ближе всего к солнцу (солнце находится в зените) в этот момент находится южный тропик — поэтому в южном полушарии лето, в северном – зима. Ночи в южном полушарии короткие, на южном полярном круге 22 декабря день длится 24 часа, ночь не наступает. В северном полушарии все, наоборот, на северном полярном круге ночь длится 24 часа.
• 22 июня — день летнего солнцестояния. Ближе всего к солнцу находится северный тропик, в северном полушарии лето, в южном – зима. На южном полярном круге ночь длится 24 часа, а на северном ночь не наступает вовсе.
• 21 марта, 23 сентября — дни весеннего и осеннего равноденствий Ближе всего к солнцу находится экватор, день равен ночи в обоих полушариях.

Очень многие привычные нам с детства особенности жизни являются результатом процессов космического масштаба. Смена дня и ночи, времен года, продолжительность периода, в течение которого Солнце находится над горизонтом, связаны с тем, как и с какой скоростью вращается Земля, с особенностями ее передвижения в космосе.

Воображаемая линия

Ось любой планеты — конструкция умозрительная, созданная для удобства описания движения. Если мысленно провести линию через полюса, это и будет ось Земли. Вращение вокруг нее — одно из двух основных движений планеты.

Ось не составляет с плоскостью эклиптики (плоскостью вокруг Солнца) 90º, а отклоняется от перпендикуляра на 23º27". Считается, что планета вращается с запада на восток, то есть против часовой стрелки. Именно таким выглядит ее движение вокруг оси, если наблюдать его на Северном полюсе.

Неопровержимое доказательство

Когда-то считалась, что наша планета неподвижна, а звезды, закрепленные на небе, вращаются вокруг нее. Достаточно длительное время в истории никого не интересовало, с какой скоростью Земля обращается по орбите или вокруг оси, поскольку сами понятия «ось» и «орбита» не укладывались в научные познания того периода. Экспериментальное доказательство факта постоянного движения Земли вокруг оси было получено в 1851 году Жаном Фуко. Оно окончательно убедило всех, кто в позапрошлом веке еще сомневался в этом.

Опыт был проведен в под куполом которого разместили маятник и круг с делениями. Раскачиваясь, маятник при каждом новом движении смещался на несколько делений. Подобное возможно только при условии вращения планеты.

Скорость

Насколько быстро вращается Земля вокруг своей оси? Однозначный ответ на этот вопрос дать довольно трудно, поскольку скорость различных географических точек неодинакова. Чем ближе местность к экватору, тем она выше. В районе Италии значение скорости, например, оценивается в 1200 км/ч. В среднем же планета за час преодолевает 15º.

Со скоростью вращения Земли связана продолжительность суток. Отрезок времени, за который наша планета делает один оборот вокруг оси, определяется двумя способами. Для определения так называемых звездных или сидерических суток в качестве системы отсчета выбирается любая звезда, кроме Солнца. Они длятся 23 часа 56 минут и 4 секунды. Если же за отправную точку берется наше светило, то сутки называют солнечными. Их величина в среднем составляет 24 часа. Она несколько меняется в зависимости от положения планеты относительно светила, которое влияет и на скорость вращения вокруг оси и на то, с какой скоростью Земля обращается по орбите.

Вокруг центра

Второе важнейшее движение планеты — это ее «кружение» по орбите. Неизменное перемещение по слегка вытянутой траектории ощущается людьми чаще всего по смене времен года. То, с какой скоростью Земля движется вокруг Солнца, выражается для нас в первую очередь в единицах измерения времени: один оборот занимает 365 дней 5 часов 48 минут 46 секунд, то есть астрономический год. Точная цифра наглядно объясняет, почему каждые четыре года в феврале появляется дополнительный день. Он представляет собой сумму накопленных за это время часов, не вошедших в принятые 365 суток года.

Особенности траектории

Как уже отмечалось, то, с какой скоростью Земля обращается по орбите, связано с характеристиками последней. Траектория движения планеты отличается от идеальной окружности, она слегка вытянута. В результате Земля то приближается к светилу, то удаляется от него. Когда планету и Солнце разделяет минимальное расстояние, такое положение называется перигелием. Максимальное удаление соответствует афелию. Первое приходится на 3 января, второе — на 5 июля. И для каждой из этих точек вопрос: «С какой скоростью вращается Земля по орбите?» - имеет свой ответ. Для афелия это 29,27 км/с, для перигелия — 30,27 км/с.

Продолжительность дня

То, с какой скоростью вращается Земля по орбите, и в целом движение планеты вокруг Солнца имеют ряд следствий, определяющих многие нюансы нашей жизни. Например, эти перемещения сказываются на продолжительности дня. Солнце постоянно изменяет свое положение на небе: смещаются точки восхода и захода, становится несколько иной высота светила над горизонтом в полдень. В результате изменяется продолжительность дня и ночи.

Совпадают эти две величины лишь в равноденствие, когда центр Солнца пересекает небесный экватор. Наклон оси при этом оказывается нейтральным по отношению к светилу, и его лучи отвесно падают на экватор. Весеннее равноденствие приходится на 20-21 марта, осеннее — на 22-23 сентября.

Солнцестояние

Один раз в году день достигает своего максимума по продолжительности, а через полгода — минимума. Эти даты принято называть солнцестоянием. Летнее приходится на 21-22 июня, а зимнее — на 21-22 декабря. В первом случае наша планета так располагается по отношению к светилу, что северный край оси смотрит в направлении Солнца. В результате лучи отвесно падают на и освещают всю область за Полярным кругом. В Южном полушарии при этом, наоборот, солнечные лучи достигают лишь области между экватором и Полярным кругом.

Во время зимнего солнцестояния события протекают точно так же, только полушарии меняются ролями: освещается Южный полюс.

Времена года

Положение на орбите влияет не только на то, с какой скоростью Земля движется вокруг Солнца. В результате изменения расстояния, отделяющего от светила, а также наклона оси планеты на протяжении года неравномерно распределяется солнечная радиация. А это, в свою очередь, становится причиной смены времен года. Причем длительность зимнего и летнего полугодия различна: первое составляет 179 суток, а второе — 186. К этому несовпадению приводит все тот же наклон оси относительно плоскости эклиптики.

Пояса освещенности

Кружение Земли по орбите имеет и еще одно последствие. Годовое движение приводит к изменению положения Солнца над горизонтом, в результате чего на планете образовались пояса освещенности:

Жаркие располагаются на 40 % территории Земли, между Южным и Северным тропиком. Как понятно из названия, сюда приходит больше всего тепла.

Умеренные пояса — между Полярным кругом и Тропиками — характеризуются выраженной сменой сезонов.

Полярные пояса, размещающиеся за Полярными кругами, отличаются низкой температурой в течение всего года.

Движение планет в целом и, в частности, то, с какой скоростью Земля обращается по орбите, влияют и на другие процессы. Среди них течение рек, смена сезонов, определенные ритмы жизни растений, животных и человека. Кроме того, вращение Земли в силу своего влияния на освещенность и температуру поверхности влияет на сельскохозяйственные работы.

Сегодня то, какая скорость вращения Земли, каково ее расстояние до Солнца, и прочие особенности, связанные с движением планеты, изучаются в школе. Однако, если задуматься, они совершенно неочевидны. Когда подобная мысль приходит в голову, хочется от души поблагодарить тех ученых и исследователей, которые во многом лишь благодаря своему незаурядному уму смогли открыть закономерности космической жизни Земли, описать их, а затем доказать и объяснить остальному миру.

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.

Загадочный и волшебный мир астрономии с древних времен привлекал внимание человечества. Люди поднимали свои головы вверх, к звездному небу, и задавались вечными вопросами о том, почему звезды меняют свое положение, почему наступает день и ночь, почему где-то воет вьюга, а где-то в пустыне плюс 50...

Движение светил и календари

Большинство планет Солнечной системы вращаются вокруг себя. Одновременно все они делают обороты вокруг Солнца. Одни совершают это быстро и стремительно, другие — медленно и торжественно. Планета Земля не исключение, она постоянно движется в космическом пространстве. Еще в древности люди, на зная причин и механизма этого движения, заметили некую общую закономерность и стали составлять календари. Уже тогда человечество интересовал вопрос о том, какая скорость обращения Земли вокруг Солнца.

Солнце встает на восходе

Движение Земли вокруг свой оси — это земные сутки. А полный проход нашей планеты по эллипсоидной орбите вокруг светила — это календарный год.

Если встать на Северный полюс и провести воображаемую ось сквозь Землю к полюсу Южному, то получится, что наша планета совершает движение с запада на восток. Помните, еще в "Слове о полку Игореве" говорится, что "Солнце встает на восходе"? Восток всегда встречает солнечные лучи раньше запада. Именно поэтому новый год на Дальнем Востоке наступает раньше, чем в Москве.

При этом ученые определились, что только две точки на нашей планете находятся в статичном положении относительно Это Северный и Южный полюса.

Сумасшедшая скорость

Все остальные места на планете находятся в вечном движении. Какова скорость обращения Земли вокруг Солнца? На экваторе она самая высокая и достигает 1670 км в час. Ближе к средним широтам, например, в Италии, скорость уже значительно ниже — 1200 км в час. А чем ближе к полюсам, тем она меньше и меньше.

Период обращения Земли вокруг своей оси равен 24 часам. Так говорят ученые. Мы называем это проще — сутки.

А с какой скоростью вращается Земля вокруг Солнца?

В 350 раз быстрее гоночного автомобиля

Кроме вращения вокруг оси, Земля еще и совершает эллипсовидное движение вокруг звезды по имени Солнце. С какой скоростью Ученые давно уже вычислили этот показатель с помощью сложных формул и расчетов. Скорость обращения Земли вокруг Солнца составляет 107 тысяч километров в час.

Трудно даже попытаться себе вообразить эти сумасшедшие, нереальные цифры. К примеру, даже самая гоночного автомобиля - 300 километров в час - в 356 раз меньше скорости Земли по орбите.

Нам кажется, что всходит и восходит, что Земля неподвижна, а светило совершает круг по небу. Очень долгое время человечество именно так и думало, пока ученые не доказали: все происходит наоборот. Сегодня даже школьник знает, что в мире происходит: планеты плавно и торжественно движутся вокруг Солнца, а вовсе не наоборот. Происходит обращение Земли вокруг Солнца, а вовсе не так, как ранее считали древние люди.

Итак, мы выяснили, что скорость вращения земли вокруг оси и Солнца составляют соответственно 1670 км в час (на экваторе) и 107 тысяч километров в час соответственно. Ничего себе, мы летим!

Солнечный и звездный год

Полный круг, вернее, овал эллипсовидной формы, планета Земля обходит вокруг Солнца за 356 дней 5 часов 48 минут 46 секунд. Эти цифры астрономы называют "астрологическим годом". Поэтому на вопрос "Какова частота обращения Земли вокруг Солнца?" мы отвечаем просто и лаконично: "Год". Этот показатель остается неизменным, но почему-то раз в четыре года у нас случается високосный год, в котором на один день больше.

Просто астрономы давно договорились, что лишние 5 с "копейками" часов не считаются каждый год, а выбрали число астрономического года, кратное суткам. Таким образом, год составляет 365 дней. Но чтобы со временем не произошло сбоя, чтобы природные ритмы не сдвигались во времени, раз в четыре года в календаре появляется один-единственный лишний день в феврале. Эти четвертьсуток за 4 года "собираются" в полные сутки - и мы отмечаем високосный год. Таким образом, отвечая на вопрос о том, какова частота обращения Земли вокруг Солнца, смело говорите, что один год.

В ученом мире есть понятия "солнечный год" и "звездный (сидерический) год". Разница между ними составляет примерно 20 минут и наступает она из-за того, что наша планета быстрее совершает движения по орбите, чем Солнце возвращается в место, которые астрономы определили, как точка весеннего равноденствия. Мы уже знаем скорость обращения Земли вокруг Солнца, а полный период обращения Земли вокруг Солнца равен 1 году.

Дни и годы на других планетах

У девяти планет Солнечной системы — свои "понятия" о скорости, о том, что такие сутки и что такое астрономический год.

Планета Венера, к примеру, оборачивается вокруг себя 243 земных суток. Представляете, сколько там можно всего успеть за один день? И сколько длится ночь!

А вот на Юпитере все наоборот. Эта планета кружится вокруг оси с гигантской скоростью и успевает сделать оборот на 360 градусов за 9,92 часа.

Скорость прохода Земли по орбите вокруг Солнца составляет год (365 дней), а вот Меркурия — всего 58,6 земных суток. У Марса, ближайшей к Земле планете, сутки длятся почти столько же, как и на Земле — 24 с половиной часа, а вот год почти вдвое дольше — 687 суток.

Обращение Земли вокруг Солнца составляет 365 дней. А теперь давайте умножим эту цифру на 247,7 и получите один год на планете Плутон. У нас прошло тысячелетие, а на самой дальней планете в Солнечной системе — всего четыре года.

Вот такие парадоксальные величины и пугающие своей масштабностью цифры.

Загадочный эллипс

Для понимания, почему на планете Земля периодически меняются времена года, почему у нас, в средней полосе, а зимой холодно, важно не только ответить на вопрос о том, с какой скоростью вращается Земля вокруг Солнца, и по какому пути. Необходимо еще и понимать, как она это осуществляет.

А делает это она не по кругу, а по эллипсу. Если вокруг Солнца нарисовать орбиту Земли, то мы увидим, что ближе всего к светилу она находится в январе, а дальше всего — в июле. Самая ближняя точка положения Земли на орбите называется перигелий, а самая дальняя — афелий.

Поскольку земная ось находится не в строго вертикальном положении, а отклонена примерно на 23,4 градуса, а по отношению к эллипсоидной орбите угол наклона увеличивается до 66,3 градуса, то получается, что в разных положениях Земля подставляет Солнцу разные бока.

Из-за наклона орбиты Земля поворачивается к светилу разными полушариями, отсюда и смена погоды. Когда в Северном полушарии бушует зима, в Южном цветет жаркое лето. Пройдет полгода — и ситуация изменится с точностью до наоборот.

Крутись, земное светило!

А Солнце вокруг чего-нибудь вращается? Конечно же, да! В космосе нет абсолютно неподвижных объектов. Все планеты, все их спутники, все кометы и астероиды крутятся, как заводные. Конечно, у разных небесных тел и скорость вращения разная, и угол наклона оси, но все равно они всегда находятся в движении. И Солнце, которое является звездой, не исключение.

Солнечная система не является независимым замкнутым пространством. Она входит в огромную спиральную галактику под названием Млечный путь. В нее, в свою очередь, входит ни много ни мало еще 200 миллиардов звезд. Солнце движется по кругу относительно центра этой галактики. Скорость вращения Солнца вокруг оси и галактики Млечный путь ученые также рассчитали с помощью многолетних наблюдений и математических формул.

Сегодня имеются такие данные. Свой полный цикл кругового движения вокруг Млечного пути Солнце проходит за 226 миллионов лет. В астрономической науке эта цифра имеет название "галактический год". При этом если представить себе поверхность галактики плоской, то наше светило совершает небольшие колебания то вверх, то вниз, оказываясь попеременно то в Северном, то в Южном полушарии Млечного пути. Частота таких колебаний составляет 30-35 миллионов лет.

Ученые считают, что Солнце за время существования Галактики успело сделать 30 полных оборотов вокруг Млечного пути. Таком образом, Солнце пока прожило всего 30 галактических лет. Во всяком случае, так утверждают ученые.

Большинство ученых считают, что жизнь на Земле зародилась 252 миллиона лет назад. Таким образом, можно утверждать, что первые живые организмы на Земле появились, когда Солнце совершало свой 29-й оборот вокруг Млечного пути, то есть, на 29-м году его галактической жизни.

Тело и газы движутся с разной скоростью

Мы узнали много интересных фактов. Показатель скорости обращения Земли вокруг Солнца мы уже знаем, выяснили, что такое астрономический и галактический год, с какой скоростью движутся по своим орбитам Земля и Солнце, а теперь определим, с какой скоростью обращается Солнце вокруг оси.

То, что Солнце вращается, замечали еще древние исследователи. На нем периодически то появлялись, то исчезали похожие пятна, что и позволило сделать вывод о его вращении вокруг оси. Но вот с какой скоростью? Ученые, обладая самыми современными методами исследования, очень долго спорили по этому поводу.

Ведь наше светило имеет очень сложный состав. Его тело — твердожидкое. Внутри находится твердое ядро, вокруг которого расположилась горячая жидкая мантия. Над ней — твердая кора. Плюс ко всему этому поверхность Солнца окутана раскаленным газом, который постоянно горит. Это тяжелый газ, который состоит в основном из водорода.

Так вот, само тело Солнца вращается медленно, а этот горящий газ — быстро.

25 дней и 22 года

Внешняя оболочка Солнца делает полное вращение вокруг оси за 27 с половиной дней. Астрономы смогли это определить, наблюдая за солнечными пятнами. Но это среднее значение. К примеру, на экваторе вращаются быстрее и делают оборот вокруг оси за 25 дней. У полюсов пятна перемещаются со скоростью от 31 до 36 дней.

Само же тело звезды оборот вокруг оси совершает за 22,14 года. В общем, за сто лет земной жизни Солнце обернется вокруг оси всего четыре с половиной раза.

Почему ученые так точно изучают скорость вращения нашего светила?

Потому что это дает ответы на многие вопросы эволюции. Ведь звезда Солнце является источником жизни всего живого на Земле. Именно из-за вспышек на Солнце, как считают многие исследователи, на Земле появилась жизнь (252 миллиона лет назад). И именно из-за поведения Солнца в древности погибли динозавры и другие пресмыкающиеся.

Свети нам ярко, Солнце!

Люди постоянно задаются вопросом о том, а не исчерпает ли Солнце свою энергию, не погаснет ли оно? Конечно же, погаснет — в мире нет ничего вечного. И для таких массивных звезд есть время зарождения, активности и затухания. Но пока что Солнце находится в середине эволюционного цикла и энергии у него достаточно. Кстати, в самом начале эта звезда была менее яркая. Астрономы определили, что на самых ранних стадиях развития яркость Солнца была процентов на 70 ниже, чем сейчас.