Вращение земли вокруг своей оси. Значение осевого вращения земли Осевое вращение земли определяет видимое движение
Наша планета постоянно находится в движении:
- вращение вокруг собственной оси, движение вокруг Солнца;
- вращение вместе с Солнцем вокруг центра нашей галактики;
- движение относительно центра Местной группы галактик и другие.
Движение Земли вокруг собственной оси
Вращение Земли вокруг оси (рис. 1). За земную ось принимают воображаемую линию, вокруг которой вращается . Эта ось отклонена на 23°27" от перпендикуляра к плоскости эклиптики. Земная ось пересекается с земной поверхностью в двух точках — полюсах — Северном и Южном. Если смотреть с Северного полюса, то вращение Земли происходит против часовой стрелки или, как принято считать, с запада на восток. Полный оборот вокруг оси планета совершает за одни сутки.
Рис. 1. Вращение Земли вокруг своей оси
Сутки — единица измерения времени. Выделяют звездные и солнечные сутки.
Звездные сутки — это промежуток времени, в течение которого Земля обернется вокруг оси по отношению к звездам. Они равны 23 ч 56 мин 4 с.
Солнечные сутки — это промежуток времени, в течение которого Земля обернется вокруг своей оси по отношению к Солнцу.
Угол поворота нашей планеты вокруг своей оси на всех широтах одинаков. За один час каждая точка на поверхности Земли передвигается на 15° от ее первоначального положения. Но при этом скорость движения находится в обратно пропорциональной зависимости от географической широты: на экваторе она равна 464 м/с, а на широте 65° -только 195 м/с.
Вращение Земли вокруг оси в 1851 г. доказал в своем опыте Ж. Фуко. В Париже — в Пантеоне под куполом повесили маятник, а под ним круг с делениями. При каждом следующем движении маятник оказывался на новых делениях. Это может произойти только в том случае, если поверхность Земли под маятником поворачивается. Положение плоскости качания маятника на экваторе не изменяется, потому что плоскость совпадает с меридианом. Осевое вращение Земли имеет важные географические следствия.
При вращении Земли возникает центробежная сила, которая играет важную роль в формировании формы планеты и уменьшает силу притяжения.
Еще одним из важнейших следствий осевого вращения является образование поворотной силы - силы Кориолиса. В XIX в. она была впервые рассчитана французским ученым в области механики Г. Кориолисом (1792-1843) . Это одна из сил инерции, вводимых для учета влияния вращения подвижной системы отсчета на относительное движение материальной точки. Ее эффект кратко можно выразить так: всякое движущееся тело в Северном полушарии отклоняется вправо, а в Южном — влево. На экваторе сила Кориолиса равна нулю (рис. 3).
Рис. 3. Действие силы Кориолиса
Действие силы Кориолиса распространяется на многие явления географической оболочки. Ее отклоняющий эффект особенно заметен в направлении движения воздушных масс. Под влиянием отклоняющей силы вращения Земли ветры умеренных широт обоих полушарий принимают преимущественно западное направление, а в тропических широтах — восточное. Аналогичное проявление силы Кориолиса обнаруживается в направлении движения океанических вод. С этой силой связана и асимметрия речных долин (правый берег обычно высокий в Севером полушарии, в Южном — левый).
Вращение Земли вокруг своей оси приводит также к перемещению солнечного освещения по земной поверхности с востока на запад, т. е. к смене дня и ночи.
Смена дня и ночи создает суточную ритмичность в живой и неживой природе. Суточный ритм тесно связан со световыми и температурными условиями. Хорошо известен суточный ход температуры, дневной и ночной бризы и т. д. Суточные ритмы происходят и в живой природе — фотосинтез возможен только днем, большинство растений раскрывают свои цветки в разные часы; одни животные активны днем, другие — ночью. Жизнь человека тоже протекает в суточном ритме.
Еще одно следствие вращения Земли вокруг своей оси — разница во времени в разных точках нашей планеты.
С 1884 г. был принят поясной счет времени, т. е. всю поверхность Земли разделили а 24 часовых пояса по 15° каждый. За поясное время принимают местное время среднего меридиана каждого пояса. Время соседних часовых поясов отличается на один час. Границы поясов проведены с учетом политических, административных и хозяйственных границ.
Нулевым поясом считается Гринвичский (по названию Гринвичской обсерватории под Лондоном), который проходит по обе стороны от нулевого меридиана. Время нулевого, или начального, меридиана считается Всемирным временем.
Меридиан 180° принят за международную линию измерения дат — условная линия на поверхности земного шара, по обе стороны от которой часы и минуты совпадают, а календарные даты отличаются на одни сутки.
Для более рационального использования летом дневного света в 1930 г. в нашей стране было введено декретное время, опережающее поясное на один час. Для этого стрелки часов были переведены на один час вперед. В связи с этим Москва, находясь во втором часовом поясе, живет по времени третьего часового пояса.
С 1981 г. в период с апреля по октябрь время переводят на один час вперед. Это так называемое летнее время. Оно вводится для экономии электроэнергии. Летом Москва опережает поясное время на два часа.
Время часового пояса, в котором расположена Москва, — московское.
Движение Земли вокруг Солнца
Вращаясь вокруг своей оси, Земля одновременно движется вокруг Солнца, обходя круг за 365 суток 5 ч 48 мин 46 с. Этот период называется астрономический год. Для удобства считается, что в году 365 дней, а через каждые четыре года, когда из шести часов «накопятся» 24 часа, в году бывает не 365, а 366 дней. Такой год называется високосным, а один день прибавляют к февралю.
Путь в пространстве, по которому Земля движется вокруг Солнца, называется орбитой (рис. 4). Орбита Земли имеет форму эллипса, поэтому расстояние от Земли до Солнца не постоянно. При нахождении Земли в перигелии (от греч.peri - возле, около иhelios - Солнце) — ближайшей к Солнцу точке орбиты — 3 января расстояние равно 147 млн км. В Северном полушарии в это время зима. Самое большое расстояние от Солнца в афелии (от греч. аро — вдали от иhelios - Солнце) — наибольшем расстоянии от Солнца — 5 июля. Оно равно 152 млн км. В это время в Северном полушарии лето.
Рис. 4. Движение Земли вокруг Солнца
Годовое движение Земли вокруг Солнца наблюдают по непрерывному изменению положения Солнца на небе — изменяются полуденная высота Солнца и положение его восхода и захода, меняется продолжительность светлой и темной частей суток.
При движении по орбите направление земной оси не меняется, она всегда направлена в сторону Полярной звезды.
В результате изменения расстояния от Земли до Солнца, а также благодаря наклону земной оси к плоскости ее движения вокруг Солнца на Земле наблюдается неравномерное распределение солнечной радиации в течение года. Так происходит смена времен года, которая характерна для всех планет, у которых наклон оси вращения к плоскости ее орбиты (эклиптики) отличается от 90°. Орбитальная скорость планеты в Северном полушарии выше в зимнее время и меньше в летнее. Поэтому зимнее полугодие длится 179, а летнее — 186 суток.
В результате движения Земли вокруг Солнца и наклона земной оси к плоскости ее орбиты на 66,5° на нашей планете наблюдается не только смена времен года, но и изменение продолжительности дня и ночи.
Вращение Земли вокруг Солнца и смена времен года на Земле показаны на рис. 81 (дни равноденствия и солнцестояния в соответствии с временами года в Северном полушарии).
Только два раза в год — в дни равноденствия продолжительность дня и ночи на всей Земле практически одинакова.
Равноденствие — момент времени, в который центр Солнца при своем видимом годичном перемещении по эклиптике пересекает небесный экватор. Выделяют весеннее и осеннее равноденствия.
Наклон оси вращения Земли вокруг Солнца в дни равноденствий 20-21 марта и 22-23 сентября оказывается нейтральным по отношению к Солнцу, а обращенные к нему участки планеты равномерно освещены от полюса до полюса (рис. 5). Солнечные лучи на экваторе падают отвесно.
Самый длинный день и самая короткая ночь наблюдаются в день летнего солнцестояния.
Рис. 5. Освещение Земли Солнцем в дни равноденствия
Солнцестояние — момент прохождения центром Солнца точек эклиптики, наиболее удаленных от экватора (точек солнцестояния). Различают летнее и зимнее солнцестояния.
В день летнего солнцестояния 21-22 июня Земля занимает такое положение, при котором северный конец ее оси наклонен в сторону Солнца. И лучи падают отвесно не на экватор, а на северный тропик, широта которого равна 23°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 его часть, которая лежит между экватором и южным Полярным кругом (66°33"). За ним в этот день земная поверхность не освещается.
В день зимнего солнцестояния 21-22 декабря все происходит наоборот (рис. 6). 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 дня весеннего равноденствия.
Рис. 6. Освещение Земли в день зимнего солнцестояния
На двух параллелях Земли в дни солнцестояния Солнце в полдень находится прямо над головой наблюдателя, т. е. в зените. Такие параллели называются тропиками. На Северном тропике (23° с.ш.) Солнце стоит в зените 22 июня, на Южном тропике (23° ю.ш.) — 22 декабря.
На экваторе день всегда равен ночи. Угол падения солнечных лучей на земную поверхность и продолжительность дня там изменяются мало, поэтому смена времен года не выражена.
Полярные круги замечательны тем, что являются границами областей, где бывают полярные дни и ночи.
Полярный день — период, когда Солнце не опускается за горизонт. Чем дальше от Полярного круга у полюсу, тем длиннее полярный день. На широте Полярного круга (66,5°) он длится всего одни сутки, а на полюсе — 189 суток. В Северном полушарии на широте северного Полярного круга полярный день наблюдается 22 июня — в день летнего солнцестояния, а в Южном полушарии на широте южного Полярного круга — 22 декабря.
Полярная ночь длится от одних суток на широте Полярных кругов до 176 суток на полюсах. Во время полярной ночи Солнце не появляется над горизонтом. В Северном полушарии на широте северного Полярного круга это явление наблюдается 22 декабря.
Нельзя не отметить такое чудесное явление природы, как белые ночи. Белые ночи — это светлые ночи в начале лета, когда вечерняя заря сходится с утренней и всю ночь длятся сумерки. Наблюдаются они в обоих полушариях на широтах, превышающих 60°, когда центр Солнца в полночь опускается за горизонт не более чем на 7°. В Санкт-Петербурге (около 60° с.ш.) белые ночи продолжаются с 11 июня по 2 июля, в Архангельске (64° с.ш.) — с 13 мая по 30 июля.
Сезонный ритм в связи с годовым движением прежде всего сказывается на освещенности земной поверхности. В зависимости от изменения высоты Солнца над горизонтом на Земле выделяют пять поясов освещенности. Жаркий пояс лежит между Северным и Южным тропиками (тропиком Рака и тропиком Козерога), занимает 40 % земной поверхности и отличается наибольшим количеством приходящего от Солнца тепла. Между тропиками и Полярными кругами в Южном и Северном полушариях находятся умеренные пояса освещенности. Здесь уже выражены сезоны года: чем дальше от тропиков, тем короче и прохладнее лето, тем длиннее и холоднее зима. Полярные пояса в Северном и Южном полушариях ограничены Полярными кругами. Здесь высота Солнца над горизонтом в течение года низкая, поэтому количество солнечного тепла минимально. Для полярных поясов характерны полярные дни и ночи.
В зависимости от годового движения Земли вокруг Солнца находятся не только смена времен года и связанная с ними неравномерность освещенности земной поверхности по широтам, но и значительная часть процессов в географической оболочке: сезонная смена погоды, режим рек и озер, ритмика в жизни растений и животных, виды и сроки сельскохозяйственных работ.
Календарь. Календарь — система исчисления длительных промежутков времени. В основе этой системы лежат периодические явления природы, связанные с движением небесных светил. В календаре используют астрономические явления — смену времен года, дня и ночи, изменение лунных фаз. Первый календарь был египетский, созданный в IV в. до н. э. С 1 января 45 г. Юлий Цезарь ввел Юлианский календарь, которым пользуется до сих пор Русская Православная Церковь. Вследствие того что продолжительность юлианского года больше астрономического на 11 мин 14 с, к XVI в. накопилась «ошибка» в 10 суток — день весеннего равноденствия наступал не 21 марта, а 11 марта. Эта ошибка была исправлена в 1582 г. указом Папы Римского Григория XIII. Счет дней был передвинут на 10 суток вперед, и день после 4 октября предписывалось считать пятницей, но не 5, а 15 октября. День весеннего равноденствия вновь был возвращен на 21 марта, и календарь стал называться Григорианским. Он был введен в России в 1918 г. Однако он тоже имеет ряд недостатков: неодинаковая продолжительность месяцев (28, 29, 30, 31 день), неравенство кварталов (90, 91, 92 дня), несогласованность чисел месяцев по дням недели.
Земля вращается вокруг оси с запада на восток, совершая полный оборот за 23 ч. 56 мин. 4 с. (звездные сутки). Угловая скорость всех точек Земли одинакова: 15ч (360 ч.). Линейная скорость их зависит от того расстояния, которое точки должны пройти за период суточного вращения. Максимальная линейная скорость на экваторе – 464 м/с, на полюсах –0, на других широтах вычисляется по формуле:
V cos м/с, где - широта места
Одним из доказательств суточного вращения Земли служит опыт Фуко, позволяющий наблюдать вращение Земли и определять угловую скорость
W sin ( - широта места)
Наблюдающееся опытным путем отклонение падающих тел к востоку также свидетельствует о вращении Земли вокруг своей оси.
Важнейшими географическими следствиями являются смена дня и ночи, отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса) и возможность построения системы географических координат. Смена дня и ночи обусловлена вращением Земли в параллельных лучах Солнца, при этом всегда половина земного шара освещена (день), другая не освещена (ночь). Смена дня и ночи обуславливает суточный ритм многих процессов и явлений на Земле.
Благодаря силе Кориолиса все движущиеся тела (воздух, вода, ракеты, снаряды и др.) в северном полушарии отклоняются вправо, в южном – влево. Поэтому правые берега рек, склоны речных долин в северном полушарии преимущественно крутые, обрывистые. Действие силы Кориолиса сказывается на направлении океанических течений (Гольфстрима, Куросио) и ветров (западные ветры умеренных широт, пассаты).
На поверхности Земли есть две замечательные точки, не участвующие во вращении планеты – северный и южный полюсы, опираясь на которые оказалось возможным построить стройную единую систему географических координат : сеть меридианов и параллелей.
Из-за неравномерного движения Земли на орбите солнечные сутки нельзя использовать для измерения точного времени. В практике пользуются средним солнечным временем . Его определяют по среднему Солнцу – воображаемой точке, которая равномерно проходит по небесному экватору свой путь за год. Средние солнечные сутки равны 24 средним солнечным часам, которые делятся на минуты и секунды. За начало средних солнечных суток принимают момент нижней кульминации среднего Солнца, т.е. полночь.
Времена суток – утро, день, ночь, вечер на разных меридианах начинаются в разное время, но на одном меридиане – одновременно.
Новые сутки начинаются на 180 долготы, которая называется линией перемены дат . Каждый меридиан имеет свое местное время , и чем восточнее он расположен, тем раньше на нем начинаются сутки. На меридианах, отстоящих друг от друга на 15 местное время отличается на 1 час, а между соседними, отстоящими друг от друга на 1 - на 4 мин.
Согласованная деятельность людей требует согласованного счета времени, и еще в XIX веке введено поясное время . Земная поверхность разделена на 24 часовых пояса, каждый из которых включает 15 долготы. В каждом часовом поясе счет ведется по местному времени его среднего меридиана, которое одновременно называют поясным временем. В 1930 г. декретом правительства СССР в целях более рационального использования светового дня стрелки часов были переведены на 1 час вперед (декретное время ). На летние месяцы во многих странах вводится летнее время , когда стрелки часов переводятся на 1 час вперед.
Для астрономических работ целесообразно пользоваться всемирным (мировым) временем (гринвичского меридиана).
Притяжение Земли другими телами Солнечной системы вызывает во всем теле планеты упругие деформации (в атмосфере, гидросфере, литосфере). Наибольшее влияние оказывает Луна (в 2,17 раз больше, чем Солнце) и Солнце. Если приливообразующие силы, вызываемые Луной и Солнцем складываются, что бывает в момент сизигии (полнолуние, новолуние), то высота приливов наибольшая: в открытом океане до 77 см, у берегов высота возрастает. Максимальна высота прилива в заливе Фанди, до 18 м. В момент квадратуры (первая и последняя четверть Луны) высота приливов невысока, т. к. в этом случае из приливообразующей силы, создаваемой Луной, вычитается сила, вызываемая Солнцем.
Земные приливы порождают приливное трение. Благодаря большой скорости вращения Земли, приливные выступы смещены относительной прямой, соединяющей центры Земли и Луны, при этом ближайший к Луне выступ (избыток массы) замедляет скорость вращения Земли, а дальний ускоряет ее. Поскольку тормозящее влияние сильнее, то в целом скорость вращения Земли замедляется. Сутки в догеологическую стадию Земли (4,5 млрд. лет назад) были равны 2 часам, 500 млн. лет назад – 20 часам. Замедление составляет 0,001 сек. за 100 лет.
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.
Астрономы установили, что Земля одновременно участвует в нескольких видах движения. Например, в составе она движется вокруг центра Млечного Пути, а в составе нашей Галактики участвует в межгалактическом движении. Но главных видов движения, известных человечеству с давних времён, два. Один из них — вокруг своей оси.
Следствие осевого вращения Земли
Наша планета равномерно вращается вокруг воображаемой оси. Такое движение Земли называют осевым вращением. Все объекты на земной поверхности вращаются вместе с Землёй. Вращение происходит с запада на восток, то есть против часовой стрелки, если смотреть на Землю со стороны Северного полюса. Из-за такого вращения планеты восход солнца утром происходит на востоке, а закат вечером - на западе.
Земная ось наклонена под углом 66 1/2° к плоскости орбиты, по которой планета движется вокруг Солнца. При этом ось строго в космическом пространстве: её северный конец постоянно направлен на Полярную звезду. Осевое вращение Земли определяет видимое движение звёзд и Луны по небосклону.
Вращение Земли вокруг оси оказывает большое влияние на нашу планету. Оно определяет смену дня и ночи и возникновение естественной, данной природой единицы измерения времени - суток. Это период полного оборота планеты вокруг своей оси. Длительность суток зависит от скорости вращения планеты. Согласно существующей системе исчисления времени сутки делят на 24 часа, час - на 60 минут, минуту - на 60 секунд.
Из-за осевого вращения Земли все движущиеся по её поверхности тела отклоняются от первоначального направления в Северном полушарии вправо по ходу своего движения, а в Южном - влево. В реках отклоняющая сила прижимает воду к одному из берегов. Поэтому у рек в Северном полушарии обычно более крутой правый берег, а в Южном полушарии - левый. Отклонение воздействует на направление ветров в , течений в Мировом океане.
Осевое вращение влияет на форму Земли. Наша планета не идеальный шар, она немного сжата . Поэтому расстояние от центра Земли до полюсов (полярный радиус) на 21 километр короче расстояния от центра Земли до экватора (экваториальный радиус). По этой же причине меридианы на 72 километра короче экватора.
Осевое вращение вызывает суточные изменения в поступлении солнечного света и тепла на земную поверхность, объясняет видимое движение звёзд и Луны по небосклону. Оно определяет также различие во времени в разных частях земного шара.
Всемирное время и часовые пояса
В один и тот же момент в разных частях земного шара время суток может быть разным. Но для всех точек, расположенных па одном меридиане, время одинаково. Его называют местным временем.
Для удобства отсчёта времени поверхность Земли условно разделена на 24 (по числу часов в сутках). Время внутри каждого пояса называют поясным временем. Отсчёт поясов ведётся от нулевого часового пояса. Это пояс, посередине которого проходит Гринвичский (нулевой) меридиан. Время на этом меридиане называют всемирным. В двух соседних поясах поясное время различается ровно на 1 час.
Посередине двенадцатого часового пояса, примерно по меридиану 180, проходит линия перемены дат. По обе стороны от неё часы и минуты совпадают, а календарные даты различаются на одни сутки. Если путешественник пересекает эту линию с востока на запад, то дата переводится на один день вперёд, а если с запада на восток, то возвращается на один день назад.
Земля вращается запада на восток против часовой стрелки, совершая полный оборот за сутки. Средняя угловая скорость вращения, т.е угол, на который смещается точка на земной поверхности, для всех широт одинакова и составляет 15 ° за 1 час. Линейная скорость, т.е путь,проходимый точкой в единице времени,зависит от широты места. Географические полюсы не вращаются, там скорость равна нулю. На экваторе точка проходит наибольший путь и имеет наибольшую скорость 455м/с. Скорость на одном меридиане разная, на одной параллели одинаковая.
Доказательством вращения Земли является фигура самой планеты, наличие сжатия земного эллипсоида. Сжатие возникает при участии центробежной силы, развивающейся в свою очередь на вращающейся планете. Любая точка на Земле находится под воздействием земного притяжения и центробежной силы. Равнодействующая этих сил направлена к экватору, оттого Земля в экваториальном поясе выпукла, у полюсов имеет сжатие.
К географическим следствиям осевого вращения Земли относятся возникновение силы Кориолиса, суточный ритм в географической оболочке.
Приливные выступы, образованные в теле Земли (в литосфере, океаносфере и атмосфере) притяжением Луны и Солнца, превращаются в приливную волну, которая обходит кругом земного шара, перемещаясь навстречу его вращению, т. е. с востока на запад. Прохождение гребня волны через какое-нибудь место создает здесь прилив, прохождение впадины -- отлив. В течение лунных суток (24 час. 50 мин.) бывает два прилива и два отлива.
Наибольшее географическое значение имеют морские приливы и отливы: они приводят к правильно чередующимся затоплениям и осушениям низменных побережий, подпору воды в низовьях рек и возникновению приливо-отливных течений. Средняя высота прилива в открытом океане около 20 см, колебания уровня моря у берегов, зависящие от приливов и отливов, несколько больше, но обычно не превышают 2 м, хотя в отдельных случаях доходят до 13 м (Пенжинская губа) и даже до 18 м (залив Фанди).
Важным следствием осевого вращения Земли является кажущееся отклонение тел, движущихся в горизонтальном направлении, от направления их движения. По закону инерции, всякое движущееся тело стремится сохранить направление (и скорость) своего движения относительно Мирового пространства. Если движение происходит относительно перемещающейся поверхности, например вращающейся Земли, наблюдателю на Земле кажется, что тело отклонилось. В действительности тело продолжает двигаться в заданном направлении.
Сила Кориолиса возрастает от экватора к полюсам, она способствует образованию атмосферных вихрей, оказывает влияние на отклонение морских течений, благодаря ей подмываются правые берега рек в Северном полушарии левые берега -в Южном полушарии.
В районах, удаленных от экватора, наиболее важной для вполне установившегося движения воздуха является чаще всего сила Кориолиса. Рассмотрим частицу воздуха в северном полушарии, двигающуюся из области высокого давления в область низкого давления благодаря силе градиента давления. Предположим, что изобары представляют собой прямые линии, а трение отсутствует.
Рис.3.4
Сила Кориолиса будет поворачивать частицу воздуха вправо, а сумма силы градиента давления (СГД) и силы Кориолиса (СК) будет увеличивать скорость. По мере возрастания скорости частицы сила Кориолиса, пропорциональная скорости и, также будет возрастать, а значит, будет возрастать и ее отклоняющее действие. В точке, где частица начинает двигаться перпендикулярно СГД, СК и СГД действуют в противоположных направлениях, и результирующая сила будет зависеть от того, какая из них окажется больше. Если это СГД, ускорение будет направлено влево от движения, возрастет скорость и возрастет и сила Кориолиса, что заставит частицу сместиться в обратном направлении. Если большей окажется сила Кориолиса, она заставит частицу отклониться больше вправо, ее скорость уменьшится, а значит, уменьшится сила Кориолиса, что вынудит частицу вернуться назад. В результате может установиться равновесие, если СГД остается постоянной в течение всего времени, пока частица движется перпендикулярно ей, а СК в точности равна ей по величине и противоположна по направлению. В этом случае частица не испытывает ускорения, и движение называют геострофическим. Соответствующий ветер дует параллельно изобарам так что в северном полушарии область высокого давления остается справа от него. В южном полушарии, наоборот, область высокого давления остается слева. Эти утверждения составляют суть сформулированного в XIX в. закона Бейс-Балло, который гласит: если стать лицом к ветру в северном полушарии, то низкое давление будет справа от вас, в южном - слева от вас.
Суточное вращение Земли неравномерно: в августе оно быстрее, в марте -- медленнее (разность в длине суток при этом около 0,0025 сек.). Периодические его изменения связаны с сезонными переменами циркуляции атмосферы, смещением центров высокого и низкого атмосферного давления; например, зимой избыточное давление холодных масс воздуха на Евразию составляет 5 10 12 т, летом вся эта масса возвращается на океан. Колебания скачкообразные, нерегулярные (вследствие которых продолжительность суток может измениться до 0,0034 сек.) стимулируются перемещением масс внутри Земли. Приближение масс к оси вращения или удаление их от оси влечет соответственно ускорение или замедление суточного вращения. Пульсации скорости вращения Земли могут быть вызваны и климатическими изменениями, влекущими за собой перераспределение водных масс на поверхности, например переход значительной части гидросферы в твердую фазу.
Наиболее интересен, однако, вековой ход изменения скорости вращения. Эффект торможения этой скорости приливной волной, бегущей навстречу вращению Земли, оказывается сильнее эффекта увеличения скорости от гравитационного сжатия и уплотнения внутренних частей планеты. В результате, продолжительность суток на Земле возрастает каждые 40 000 лет на 1 с. (по другим данным--на 0,64 с. за тот же период).
Эти величины следует иметь в виду при палеогеографических построениях. Если взять первое значение (1 с. в 40 000 лет), легко подсчитать, что 500 млн. лет назад, т. е. на рубеже кембрия и ордовика, сутки были немногим длиннее 20 час, а 1 млрд. лет назад (в протерозое) --17 час. В последнем случае субтропические максимумы атмосферного давления, лежащие ныне на широтах ±32°, должны были располагаться на параллелях ±22°, т. е. быть тропическим максимумом, со всеми вытекающими отсюда последствиями для общего характера атмосферной циркуляции на Земле. Через 1 млрд лет продолжительность суток возрастет до 31 час (т.к в году останется только 283 дня). В конце концов вследствие приливного торможения Земля окажется повернутой к Луне всё время одной стороной, как это уже произошло с Луной по отношению к Земле, и земные сутки станут равными лунному месяцу.
Еще во II веке до н.э. греческий астроном Гиппарх обнаружил, что точка весеннего равноденствия медленно перемещается относительно звезд навстречу годичному движению Солнца. Благодаря тому, что равноденствие наступает раньше, чем Солнце совершает полный оборот по эклиптике, явление получило название предварения равноденствий или прецессии. Величина этого смещения за год называется постоянной прецессии и по современным данным составляет около 50".
Прецессионное движение земной оси в основном вызвано притяжением Луны и Солнца. Если бы Земля была шаром, то он притягивался бы Луной и Солнцем силами, приложенными к его центру. Но поскольку Земля сплюснута к полюсам, то на экваториальную выпуклость будет действовать сила, стремящаяся повернуть Землю таким образом, чтобы ее экваториальная плоскость проходила через притягивающее тело. Из-за действия этой силы создается опрокидывающий момент. Солнце в течении года дважды отходит от плоскости земного экватора на угол е ~ 23°26", а удаление Луны дважды в месяц может достигать 28°36". Однако сравнительно быстрое осевое вращение Земли создает гироскопический эффект, благодаря которому отклонение происходит в направлении, перпендикулярном действующей силе. Подобный эффект наблюдается у вращающегося гироскопа -- при действии внешней силы его ось начинает описывать в пространстве конус, тем более узкий, чем быстрее вращение.
Рис.3.5Схема образования опрокидывающего момента, действующего на Землю со стороны Солнца и Луны. Силы, действующие на экваториальную выпуклость (в точках А и В), разложены на компоненты, параллельные направлению на возмущающее тело из центра Земли О, и компоненты, перпендикулярные плоскости земного экватора (AA" и BB"). Последние и выступают в роли опрокидывающих сил
В отношении Земли в роли основной внешней силы выступает притяжение Солнца, которое и вызывает основную часть смещения земной оси с периодом 26 000 лет. Поскольку период вращения узлов орбиты Луны составляет 18.6 лет, то с таким же периодом меняются и пределы изменения угла отклонения Луны от плоскости земного экватора, что и проявляется в виде нутаций с тем же периодом. Величину прецессии и нутации можно было бы вычислить теоретически, но для этого не хватает данных о распределении масс внутри Земли, и поэтому ее приходится определять из наблюдений положений звезд в разные эпохи.
От угловой скорости вращения зависит "прочность" нашей планеты. Центробежная сила на экваторе составляет 1/289 силы земного притяжения. При ускорении вращения Земли в 17 раз центробежная сила увеличилась бы в 17 2 =289 раз, тела на экваторе потеряли бы свою тяжесть и мог бы произойти отрыв от Земли части вещества. Очевидно, Земля застрахована от подобной судьбы своим 17-кратным запасом прочности, которая к тому же постепенно растет из-за уменьшения скорости вращения и, следовательно, ослабления центробежной силы.
Смена дня и ночи создает суточный ритм в географической оболочке, он проявляется в живой и неживой природе: в суточном ходе всех метеорологических элементов -- температуре, влажнели, давлении; таяние горных ледников происходит днем; фотосинтез происходит днем, на свету, многие растения раскрывается в разные часы суток. Человек тоже живет по часам; в определенные часы у него падает работоспособность, Повышается температура тела и давление.
Период обращения Луны на орбите - около 28 дней, за это время она возвращается в прежнее место. А что при этом происходит у нас под ногами? Все знают о морских приливах и отливах. Вода притягивается гравитационной силой Луны, и такая волна следует по поверхности морей и океанов вслед за Луной. Но ведь гравитация действует отдельно на каждый атом и молекулу, притягивая их. Просто на воде это виднее из-за её однородности в огромных масштабах и текучести. Каждая частца нашего организма тоже испытывает приливы и отливы гравитационной силы. Жидкая кровь особенно. И все циклы жизнедеятельности организма привязаны к периоду обращения Луны. Предполагают, что Луна специфически влияет на состояние вегетативной нервной системы и на такие важные структуры головного мозга, как мозжечок, гипоталамус, эпифиз. Отмечают, что при полнолунии возрастают работоспособность человека и возбудимость его нервной системы, повышается раздражительность, а при новолунии наблюдается обратная картина (слабость, снижение активности, творческих сил и способностей) и как следствие этого прослеживается связь настроения людей со сменой лунных фаз.
Частицы твёрдой Земли тоже испытывают циклическое воздействие гравитационной силы. Если текучая вода притягивается к Луне на несколько метров, то твёрдая земля растягивается по направлению к Луне на полметра и на несколько сантиметров вбок.
На северном полюсе Земли Солнце приблизительно полгода бывает незаходящим, а полгода -- невосходящим светилом. Около 21 марта Солнце здесь появляется над горизонтом (восходит) и вследствие суточного вращения небесной сферы описывает кривые, близкие к окружности и почти параллельные горизонту, поднимаясь с каждым днем все выше и выше. В день летнего солнцестояния (около 22 июня) Солнце достигает максимальной высоты h max = + 23° 27". После этого Солнце начинает приближаться к горизонту, высота его постепенно уменьшается и после дня осеннего равноденствия (после 23 сентября) оно скрывается под горизонтом (заходит). День, длившийся полгода, кончается и начинается ночь, которая длится также полгода. Солнце, продолжая описывать кривые, почти параллельные горизонту, но под ним, опускается все ниже и ниже, В день зимнего солнцестояния (около 22 декабря) оно опустится под горизонт на высоту hmin = - 23° 27", а затем снова начнет приближаться к горизонту, высота его будет увеличиваться, и перед днем весеннего равноденствия Солнце снова появится над горизонтом. Для наблюдателя на южном полюсе Земли (j = - 90°) суточное движение Солнца происходит подобным же образом. Только здесь Солнце восходит 23 сентября, а заходит после 21 марта, и поэтому когда на северном полюсе Земли ночь, на южном -- день, и наоборот.
Форма Земли зависит от размеров планеты, распределения в ней плотностей и от скорости осевого вращения. Ни один из этих факторов нельзя назвать стабильным.
Вследствие глубинного сжатия Земли радиус ее сокращается примерно на 5 см в столетие, значит, делается меньше и объем Земли. Однако это вековое уменьшение носит пульсирующий характер, потому что его на время прерывают периоды расширения Земли, вызываемые огромным количеством тепла, освобождаемого сокращением радиуса.
Описанные выше процессы отражаются и на скорости вращения Земли: при укорочении радиуса эта скорость возрастает, при удлинении -- замедляется. Следовательно, при вековой тенденции к уменьшению объема планеты вековая тенденция изменения скорости ее вращения должна идти в сторону ускорения этого вращения. Но так как в дело вмешивается еще один (и притом весьма мощный) фактор -- приливное торможение, то в конечном итоге скорость вращения Земли систематически становится меньше. А это означает ослабление в вековой перспективе полярного сжатия Земли.
