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°.

"Наша планета вращается" - такое утверждение давно стало очевидностью. Тем более, что вращение это сложное, наверно, даже более сложное, чем можно себе представить и до самого конца не исследованное человеком, потому как не известны ещё пока границы вселенной, и никто не может сказать - вокруг чего же в конечном итоге вращается весь наш мир. Однако, любое вращение, как и любое движение - вещь относительная, и нам с Земли кажется, что это не мы, а весь мир вращается вокруг нас, потому столько веков и потребовалось, чтобы человек осознал вращение собственной планеты. И то, что сейчас кажется очевидным, на самом деле было очень-очень сложным: посмотреть на свой мир со стороны, особенно, когда кажется, что он - центр мироздания. Попробуем же разобраться с тем, как вращается наша планета, и какие следствия из этого возникают.

Вращение вокруг своей оси

Земля вращается вокруг своей оси и делает полный оборот за 24 часа. С нашей стороны - на Земле - мы наблюдаем движение неба, Солнца, планет и звёзд. Небо вращается с востока на запад, поэтому Солнце и планеты восходят на востоке и заходят на западе. Главным небесным телом для нас, разумеется, является Солнце. Вращение Земли вокруг своей оси приводит к тому что Солнце поднимается над горизонтом каждый день и опускается за него каждую ночь. Собственно, это и является причиной того, что день и ночь сменяют друг друга. Большое значение для нашей планеты имеет ещё и Луна. Луна светит отражённым от Солнца светом, так что от неё не может зависеть смена дня и ночи, однако, Луна - очень массивный небесный объект, поэтому она способна притягивать к себе жидкую оболочку Земли - , слегка деформируя её. По космическим меркам притяжение это ничтожное, но по нашим - достаточно ощутимое. Дважды в сутки мы наблюдаем прилив и дважды в сутки - отлив. Приливы наблюдаются на той части планеты, над которой находится Луна, а также - на противоположной от неё. Отливы смещены относительно приливов на 90°. Луна делает полный оборот вокруг Земли за месяц (отсюда и название неполной луны на небе), за это же время и делает полный оборот вокруг своей оси, поэтому мы всегда видим только одну сторону Луны. Как знать, если бы Луна вращалась на нашем небе, возможно, люди бы догадались и о вращении своей планеты гораздо раньше.
Выводы: вращение Земли вокруг своей оси приводит к смене дня и ночи, возникновению приливов и отливов.

Вращение вокруг Солнца

Только в 17 веке гелиоцентрическая модель мира (Земля и планеты вращаются вокруг Солнца) окончательно вытеснила геоцентрическую модель (Солнце и планеты вращаются вокруг Земли). Развитие астрономии и наблюдение за планетами сделали более невозможным утверждение о вращении мира вокруг Земли. Сейчас для всех очевидно, что наша планета делает оборот вокруг Солнца примерно за 365,25 дня. К сожалению, это не слишком удобно, а округлить эту дату нельзя, иначе за 4 года будет накапливаться ошибка в один день. Кстати, эта особенность создавала массу проблем древним народам, потому что составление календаря из-за неровного числа дней в году обращалось в путаницу. Коснулось это даже Древнего Рима, ходила такая пословица, которая в вольной трактовке значила, что римляне всегда совершают великие победы, но точно не знают, в какой день это произошло. Необходимую реформу календаря провёл в 45 году до н.э. Юлий Цезарь. Именно в его честь седьмой месяц года мы до сих пор называем "июль". В юлианском календаре каждый 4 год високосный, то есть составляет 366 дней - добавляется 29 февраля. Однако, и эта система не оказалась достаточно точной, так как с течением времени и в нём начала накапливаться ошибка. Год на самом деле имеет на 11 минут меньшую продолжительность, что становится существенным на протяжении веков. Примерно за 128 лет юлианский календарь накапливает ошибку в 1 сутки. Из-за этого пришлось вводить новый - григорианский календарь (его ввёл Римский Папа Григорий XIII). Этим календарём мы пользуемся до сих пор. В нём не все годы, которые делятся на 4 считаются високосными. Годы, которые кратны 100 являются високосными только если делятся на 400. Но даже этот календарь не идеальный, он накопит ошибку в 1 сутки за 10 000 лет. Правда, нас пока такая погрешность устраивает. В прочем, данная проблема чисто технически решается вводом каждые 10 тысяч лет 30 февраля, нам это, правда, не грозит.
Итак, Земля вращается вокруг Солнца за один год, при этом на ней происходит смена времён года. Причина этого в наклоне земной оси. Ось вращения нашей планеты (и это мы видим на глобусе) наклонена под углом 23,5°. При этом она всегда "смотрит" в одну точку неба, рядом с которой находится Полярная звезда, создавая впечатление, что небесная сфера вращается вокруг этой точки. Наклон земной оси приводит к тому, что полгода земля наклонена к Солнцу Северным полушарием, а полгода - отвёрнута Северным и обращена Южным. Это приводит к тому, что высота Солнца над горизонтом из месяца в месяц меняется - зимой оно поднимается невысоко, тепла мы получаем мало, и становится холодно. Зато на противоположном полушарии в этот момент лето - оно повёрнуто к Солнцу, через полгода лето наступает у нас. Солнце поднимается над горизонтом всё выше и прогревает нашу половину Земли, правда, с другой стороны планеты наступает зима. (см. рисунок; источник: http://www.rgo.ru/2011/01/kogda-prixodit-osen/)
Хочется отметить, что наклон земной оси мы считаем постоянным, и по меркам человеческой жизни это так, хотя и не совсем. Дело в том, что Северный полюс мира на небе (там где сейчас находится Полярная звезда) медленно сдвигается. Это явление называется прецессией полюсов. Тот же самый процесс наблюдается у закрученного волчка, который мы хорошо начинаем видеть, когда волчок начинает останавливаться. Несмотря на быстрое вращение, его ручка начинает описывать окружности, медленно меняя направление наклона его оси. Конечно, Земля - не волчок и строгую параллель провести нельзя, но процесс идёт похожий, так через несколько тысяч лет Полярная звезда уже не будет находиться в "полюсе мира". Однако, в течение жизни человек не сможет наблюдать такие процессы. Равно как и изменение наклона земной оси. Очевидно, что за 4,5 миллиарда лет существования наклон нашей планеты менялся, что имело серьёзные последствия для всей планеты, но изменение наклона оси может происходить не быстрее, чем 1° за сотни тысяч лет! Некоторые псевдонаучные фильмы говорят нам о возможном почти мгновенном сдвиге географических полюсов, но по законам природы этого произойти физически не может.
Вывод: Вращение Земли вокруг Солнца приводит к смене времён года, благодаря постоянному наклону земной оси 23,5°

Вращение вокруг центра галактики

Земля и вся Солнечная система находятся в галактике, которую мы называем Млечный Путь. Такое название она получила из-за того, что то, что является нашей Галактикой на чистом небе за городом в безлунную ночь выглядит в виде светлой вытянутой полоски. Древним она напоминала разлившееся по небу молоко, что на самом деле является миллионами звёзд нашей галактики. Галактика на самом деле имеет спиральную форму и должна быть похожа на нашу ближайшую соседку - галактику туманность Андромеды (на фото. ). К сожалению, посмотреть на собственную галактику со стороны мы пока не можем, но современные расчёты и наблюдения показывают, что наша система находится скорее ближе к краю Млечного Пути в одном из его рукавов. Рукава спиральной галактики медленно вращаются вокруг её центра, вместе с ними вращаемся и мы. Полный оборот вокруг центра галактики Земля и вся Солнечная система делают за 225-250 миллионов лет. К сожалению, о следствиях этого вращения пока известно слишком мало, так как сознательная жизнь человечества на Земле измеряется тысячами лет, а серьёзные наблюдения ведутся всего несколько веков, однако, процессы, происходящие в галактике тоже каким-то образом должны влиять на жизнь нашей планеты, но это ещё только предстоит выяснить.

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.

Все мы жители самой прекрасной планеты во Вселенной, ее называют «голубой» из-за обилия воды. Она в Солнечной системе всего одна такая, но все хорошее рано или поздно заканчивается. Вы никогда не задумывались, если Земля остановится, что будет? На этот вопрос мы и попробуем найти ответ в этой статье.

Все еще со времен школьной скамьи знают, что наша земля имеет форму шара и вращается вокруг своей оси. Так же она находится в непрерывном движении вокруг нашего источника тепла и света, Солнца. Но какова же причина вращения Земли?

Все эти вопросы довольно интересны, наверняка, хоть раз в жизни этим задавался каждый житель нашей планеты. Школьный курс дает нам мало информации такого рода. Например, всем известно, что в результате движения Земли, у нас происходит смена дня и ночи, поддерживается температура воздуха, привычная всем нам. Но этого всего не достаточно, ведь не только этим ограничивается данный процесс.

Вращение вокруг Солнца

Итак, мы разобрались с тем, что наша планета всегда находится в движении, но зачем и с какой скоростью вращается Земля? Важно знать, что все планеты в Солнечной системе вращаются с определенной скоростью, и все в одном направлении. Совпадение? Конечно, нет!

Еще задолго до появления человека образовалась наша планета, она возникла в водородном облаке. После этого получился сильный толчок, в результате которого облако начало вращаться. Для того чтобы ответить на вопрос «почему», вспомним, что каждая частица при прохождении через вакуум имеет свою инерцию, при этом все частицы уравновешивают ее.

Таким образом, вся Солнечная система вращается все быстрее и быстрее. Из этого образовалось наше Солнце, а затем и все остальные планеты, а в наследство от светила получили те самые движения.

Вращения вокруг собственной оси

Этот вопрос интересует ученых и сейчас, существует множество гипотез, но приведем наиболее правдоподобную.

Итак, мы в предыдущем пункте уже сказали, что вся Солнечная система образовалась из скопления «мусора», который набрался в результате того, что молодое, на тот момент, Солнце его притягивало. Несмотря на то, что основная его масса и досталась нашему Солнцу, все-таки вокруг образовались планеты. Изначально они не имели привычную для нас форму.

Иногда, сталкиваясь с объектами, они разрушались, но обладали способностью притягивать более мелкие частицы, так и набирали свою массу. Нашу планету заставило вращаться несколько факторов:

• Время.
• Ветер.
• Асимметрия.

И последнее не ошибка, тогда Земля напоминала форму снежка, слепленного маленьким ребенком. Неправильная форма заставляла быть планету неустойчивой, она подвергалась воздействию ветра и радиации Солнца. Несмотря на вышла из неуравновешенного положения и начала крутиться, подталкиваемая теми же факторами. Если говорить коротко, то наша планета не сама движется, а ее много миллиардов лет назад подтолкнули. Мы не уточнили, с какой скоростью вращается Земля. Она вечно находится в движении. И почти за двадцать четыре часа делает полный оборот вокруг своей оси. Такое движение называют суточным. Скорость вращения не везде одинакова. Так на экваторе она равняется примерно 1670 километров в час, а Северный и Южный полюс может и вовсе оставаться на месте.

Но кроме этого, наша планета еще движется и по другой траектории. Полный оборот Земли вокруг Солнца происходит за триста шестьдесят пять дней и пять часов. Это объясняет то, что существует високосный год, то есть в нем на один день больше.

Возможна ли остановка?

Если Земля остановится, что будет? Начнем с того, что остановку можно рассматривать, как вокруг своей оси, так и вокруг Солнца. Мы разберем все варианты более подробно. В данной главе обсудим некоторые общие моменты, и возможно ли это вообще.

Если рассматривать резкую остановку вращения Земли вокруг своей оси, то это практически не реально. К этому может привести только столкновение с крупным объектом. Сразу уточним, что уже не будет никакой разницы, вращается планета или вообще улетела со своей орбиты, так как остановку может вызвать настолько большой объект, что Земля попросту не выдержит такого удара.

Если Земля остановится, что будет? Если резкая остановка практически не возможна, то медленное торможение вполне реально. Хоть это и не ощущается, но наша планета и так постепенно замедляется.

Если говорить о полете вокруг Солнца, то остановка планеты в этом случае - это что-то из области фантастики. Но мы отбросим все вероятности и предположим, что это все-таки произошло. Предлагаем вам разобрать каждый случай отдельно.

Резкая остановка

Хоть этот вариант гипотетически невозможен, но мы все-таки предположим. Если Земля остановится, что будет? Скорость нашей планеты настолько велика, что резкая остановка по каким-либо причинам, просто снесет все на ней.

Для начала, в каком направлении вращается Земля? С Запада на Восток со скоростью более чем пятьсот метров в секунду. Из этого мы можем предположить, что все, что движется на планете и продолжит свое движение со скоростью более 1,5 тысячи километров в час. Ветер, который будет дуть с такой же скоростью, вызовет сильнейшее цунами. На одном полушарии будет шесть месяцев день, а затем, те, кого не спалит высочайшая температура, добьет полгода сильного мороза и ночи. А что если и после этого останутся живые? Их погубит радиация. Кроме этого, после остановки Земли наше ядро сделает еще несколько оборотов, при этом будут извергаться вулканы в тех местах, где они раньше не встречались.

Атмосфера так же не остановит своего движения мгновенно, то есть будет ветер, дующий со скоростью 500 метров в секунду. Кроме этого, возможна частичная потеря атмосферы.

Этот вариант катастрофы наиболее лучший исход для человечества, ведь все произойдет настолько быстро, что ни один человек просто не успеет опомниться, не поймет, что происходит. Так как наиболее вероятный результат - это взрыв планеты. Другое дело - это медленная и постепенная остановка планеты.

Многим приходит первое на ум - это вечный день на одной стороне, и вечная ночь на другой, но это, на самом деле, не сильно большая проблема, по сравнению с остальными.

Плавная остановка

Наша планета замедляет свое вращение, ученые говорят о том, что человек не застанет полной ее остановки, так как она произойдет через миллиарды лет, а задолго до этого Солнце увеличится в объеме и просто сожжет Землю. Но, тем не менее, мы смоделируем ситуацию остановки в обозримом будущем. Только для начала разберемся с вопросом: почему происходит медленная остановка?

Ранее сутки на нашей планете длились примерно шесть часов, а на этот фактор сильное воздействие оказывает Луна. Но как? Она вызывает колебания воды своей силой притяжения, а в результате этого процесса и происходит медленная остановка.

Все-таки случилось

Нас ждет вечная ночь или вечный день на одном из полушарий, но это не самая большая беда, по сравнению с перераспределением суши и океана, которое приведет к массовому уничтожению всего живого.

Там, где будет солнце, все растения постепенно вымрут, а почва потрескается от засухи, а вот другая сторона - это снежная тундра. Наиболее подходящая для обитания область будет промежуточной, где будет вечный восход или закат. При этом данные территории будут достаточно малы. Суша будет располагаться только на экваторе. Северный и Южный полюс будут представлять собой два больших океана.

Не исключение и то, что человеку нужно будет приспособиться существовать в земле, а для прогулок на поверхности понадобятся скафандры.

Без движения вокруг Солнца

Этот сценарий прост, все, что находилось на передней стороне, улетит в свободное пространство космоса, ведь наша планета движется с очень большой скоростью, другие же получат не менее сильный удар об землю.

Даже если Земля будет постепенно замедлять свое движение, то в итоге она упадет на Солнце, а весь этот процесс займет шестьдесят пять дней, но до последнего никто не доживет, так как температура будет составлять около трех тысяч градусов по Цельсию. Если верить расчетам ученых, то через месяц на нашей планете температура будет достигать 50 градусов.

Этот сценарий практически не реален, но поглощение Земли Солнцем - это факт, которого не избежать, но человечество не сможет застать этого дня.

Земля слетела с орбиты

Это самый фантастический вариант. Нет, мы не отправимся в путешествие по космосу, ведь существуют законы физики. Если хоть одна планета из Солнечной системы слетит с орбиты, то она внесет хаос в движении всех остальных, в итоге попадет в "лапы" Солнцу, которое его поглотит, притягивая своей массой.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском