Изобрази солнце и орбиту вращения земли нарисуй. Основные движения земли в пространстве. Форма орбиты: как это может влиять на климат
Суточное вращение земного шара приводит к последовательной смене дней и ночей, а его орбитальное движение - к чередованию времен года и смене самих годов. Движения эти наиболее важны для землян, ибо лежат в основе астрономических способов измерения времени, но они далеко не единственные. Несясь по околосолнечной орбите со средней скоростью около 30 км/с, наша Земля совершает еще немало других самых разнообразных движений.
Как уже говорилось, ось вращения Земли в течение всего года сохраняет неизменное положение в пространстве, то есть остается параллельной самой себе. А северный конец этой оси направлен к неподвижной точке неба вблизи Полярной звезды. И все же это не совсем так. Из века в век земная ось, подобно оси вращающегося волчка, медленно описывает конус, и вызывается это движение теми же силами, что и морские приливы,- притяжением Луны и Солнца. Только в данном случае они воздействуют не на воды океанов, а на массы Земли, образующие ее экваториальное вздутие.
В результате изменения направления земной оси в пространстве полюсы мира медленно перемещаются среди звезд по малому кругу с радиусом 23 градуса 26 минут дуги. Именно на такой угол ось вращения Земли отклонена от перпендикуляра к плоскости земной орбиты (плоскости эклиптики) и на такой же угол к плоскости эклиптики наклонен небесный экватор. Напомним: небесный экватор представляет собой большой круг, отстоящий от полюсов мира на 90 градусов. Он пересекается с эклиптикой в точках весеннего и осеннего равноденствия. И коль скоро небесный полюс движется, точки равноденствий медленно перемещаются по эклиптике навстречу видимому движению Солнца. В результате весна каждый год наступает на 20 минут и 24 секунды раньше, чем Солнце успевает обойти всю эклиптику. Отсюда это явление получило название прецессии
, что в переводе с латинского означает "хождение вперед", или предварение равноденствий.
Расчеты показали, что полюс мира совершает полный круг на небесной сфере за 25 770 лет, то есть в течение почти 258 веков. В настоящее время он находится примерно в 46 угловых минутах от Полярной звезды. В 2103 году он приблизится к путеводной звезде на минимальное расстояние, равное 27 угловым минутам, а затем, двигаясь в направлении созвездия Цефея, станет от нее медленно удаляться.
В течение длительного времени Северный полюс мира не будет "отмечен" ни одной яркой звездой и только около 7500 года пройдет на расстоянии 2 градусов от альфы Цефея - звезды второй звездной величины, по силе блеска соперничающей с Полярной. Около 13 600 года в роли путеводного светила будет выступать ярчайшая звезда северного неба - Вега. Наконец наступит час, когда, вследствие дальнейшего перемещения полюса мира, с небес северных широт исчезнет царственный Сириус, но зато будет видно созвездие Южного Креста.
Прецессия усложняется так называемой нутацией
- легким покачиванием земной оси. Подобно прецессии, оно происходит от воздействия нашего спутника на экваториальное вздутие земного шара. В результате сложения этих двух движений перемещение небесного полюса совершается не просто по кругу, а по слегка волнистой кривой. В этом и состоит четвертое движение Земли.
Не остается неизменным и наклон оси вращения Земли к плоскости орбиты. Наша планета, хотя и очень медленно, все же "покачивается", то есть наклон земной оси слегка меняется. В настоящее время он уменьшается примерно на 0,5 секунды дуги в год. Если бы это уменьшение происходило постоянно, то где-то в 177 000 году земляне получили бы прекрасную возможность жить на планете с перпендикулярной осью. Какие перемены произошли бы тогда в природе? На земном шаре с перпендикулярной осью не было бы больше никакой смены времен года. Его обитатели могли бы наслаждаться вечной весной! Однако размах колебаний наклона оси вращения Земли совсем невелик - не превышает 2-3 градусов. Нынешнее "выпрямление" земной оси обязательно прекратится, после чего ее наклон будет увеличиваться.
Напомним, что земная орбита представляет собой эллипс. И форма этого эллипса тоже подвержена медленным изменениям. Он становится то более, то менее вытянутым. В настоящее время эксцентриситет земного эллипса равняется 0,0167, а в 24 000 году земная орбита превратится почти в круг. Затем в течение 40 тысячелетий эксцентриситет станет снова возрастать, и так будет продолжаться, видимо, до тех пор, пока будет существовать сама наша планета. Это постоянное изменение эксцентриситета земной орбиты
можно рассматривать как шестое движение Земли.
Планеты тоже не оставляют Землю в покое. В зависимости от своей массы и удаленности они оказывают на нее вполне ощутимое влияние. Так, большая ось земной орбиты, соединяющая ближайшую и наиболее отдаленную от Солнца точки земного пути (перигелий и афелий), благодаря совокупной гравитации планет медленно поворачивается. Этот цикл, длящийся 21 тыс. лет, составляет вековое изменение перигелия
и является седьмым движением Земли.
В результате изменения ориентации земной орбиты медленно меняются сроки прохождения Земли через перигелий. И если сейчас Земля проходит через перигелий в первых числах января, то около 11 900 года она будет находиться в перигелии в дни летнего солнцестояния: зимы тогда будут особенно холодными, а летняя жара будет достигать наивысшего предела.
В популярных книгах по астрономии говорится, что "Луна обращается вокруг Земли", но выражение это не вполне точное. Дело в том, что не только Земля притягивает Луну, но и Луна притягивает Землю, и оба небесных тела движутся вместе, как одно целое, вокруг общего центра масс системы Земля-Луна. Масса Луны в 81,3 раза меньше массы Земли, и поэтому этот центр находится в 81,3 раза ближе к центру Земли, чем к центру Луны. Среднее расстояние между их центрами составляет 384 400 км. Оперируя этими данными, мы получим: центр масс системы Земля-Луна находится на расстоянии 4671 км от центра Земли по направлению к Луне, то есть на расстоянии 1707 км под поверхностью Земли (экваториальный радиус Земли - 6378 км). Вот вокруг этого центра Земля и Луна описывают в течение месяца свои орбиты. В результате Земля ежемесячно то приближается к Солнцу, то удаляется от него, что вызывает небольшие изменения видимого диаметра дневного светила. Это восьмое движение Земли.
Строго говоря, по околосолнечной орбите движется центр масс системы Земля-Луна. Поэтому траектория Земли должна быть похожа на слегка волнистую линию.
Если бы вокруг Солнца обращалась только одна Земля, то оба небесных тела описывали бы эллипсы вокруг общего центра масс системы Солнце-Земля. Но притяжение Солнца другими большими планетами заставляет этот центр описывать очень сложную кривую. И когда все планеты бывают расположены по одну сторону от центрального светила, они притягивают его к себе особенно сильно и смещают Солнце, отчего центр масс всей Солнечной системы выходит за пределы солнечного шара. Так возникает еще одно, девятое усложнение в движении Земли.
Наконец, сама наша Земля легко отзывается на притяжение других планет Солнечной системы. Ведь согласно закону Ньютона все небесные тела притягиваются одно другим с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату их расстояния. Это воздействие планет проявляется не лучшим образом - оно отклоняет Землю с ее эллиптического пути вокруг Солнца (с кеплеровой орбиты) и вызывает все те неправильности в ее орбитальном движении, которые называются возмущениями
или пертурбациями
. Наибольшее возмущение на Землю оказывает массивный гигант Юпитер и наша соседка Венера. Усложнение траектории движения Земли под действием притяжения планет и составляет ее десятое движение.
Уже давно установлено, что звезды движутся в пространстве с огромными скоростями. Не составляет исключения и наше Солнце. Относительно ближайших звезд оно летит в направлении созвездия Геркулеса со скоростью около 20 км/с, увлекая с собою всех своих спутников, в том числе и Землю. Перемещение Земли в пространстве, вызванное поступательным движением Солнца, является одиннадцатым движением нашей планеты. Благодаря этому нескончаемому полету мы навсегда покидаем ту область неба, где сияет Сириус, и приближаемся к неизведанным звездным глубинам, где ярко сверкает Вега. С тех пор как образовалась Земля, она ни разу не пролетала по знакомым местам и никогда не вернется в ту точку Вселенной, где мы находимся в данный момент.
Изобразим направление движения Солнца в пространстве прямой стрелой. Тогда та точка неба, к которой оно летит, составит с полюсом эклиптики угол около 40 градусов. Как видим, наше центральное светило движется совсем косо (по отношению к плоскости эклиптики), а Земля, подобно ястребу или орлу, описывает около него гигантскую спираль...
Если бы мы могли взглянуть на наш галактический звездный "остров" со стороны и среди 200 млрд звезд распознать наше Солнце, то мы установили бы, что оно движется вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с и свой путь завершает примерно за 230 млн лет. В этом стремительном полете вокруг галактического ядра вместе с Солнцем участвует вся Солнечная система, а для нашей Земли это - двенадцатое движение.
Полет Земли вместе с Солнцем вокруг ядра Галактики дополняется тринадцатым движением всей нашей звездной системы относительно центра скопления ближайших к нам галактик.
Следует отметить, что перечисленные тринадцать движений Земли далеко не исчерпывают всех ее возможных движений. Во Вселенной каждое небесное тело должно участвовать во множестве различных относительных движений.
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.
Для наблюдателя, находящегося в Северном полушарии, например, в европейской части России, Солнце привычно восходит на востоке и поднимается к югу, занимая в полдень самую высокую позицию на небосклоне, затем клонится к западу и скрывается за линией горизонта. Данное движение Солнца является лишь видимым и вызвано вращением Земли вокруг своей оси. Если смотреть на Землю сверху в направлении Северного полюса, то она будет вращаться против часовой стрелки. Солнце при этом находится на месте, видимость его движения создается за счет вращения Земли.
Годовое вращение Земли
Вокруг Солнца Земля также вращается против часовой стрелки: если смотреть на планету сверху, со стороны Северного полюса. Так как земная ось имеет наклон относительно плоскости вращения, по мере вращения Земли вокруг Солнца она освещает ее неравномерно. На одни области солнечного света попадает больше, на другие – меньше. Благодаря этому происходит смена времен года и изменение продолжительности дня.
Весеннее и осеннее равноденствие
Дважды в год, 21 марта и 23 сентября, Солнце одинаково освещает Северное и Южное полушария. Эти моменты известны как и осеннее равноденствие. В марте в Северном полушарии начинается , в Южном – осень. В сентябре, наоборот, в Северное полушарие приходит осень, а в Южное – весна.
Летнее и зимнее солнцестояние
В Северном полушарии 22 июня Солнце выше всего поднимается над горизонтом. День имеет самую большую продолжительность, а ночь в эти сутки самая короткая. Зимнее солнцестояние происходит 22 декабря – день имеет самую короткую продолжительность, а ночь максимально длинная. В Южном полушарии все происходит наоборот.
Полярная ночь
Из-за наклона земной оси полярные и приполярные области Северного полушария в зимние месяцы оказываются без солнечного света – Солнце вообще не поднимается над горизонтом. Это явление известно как полярная ночь. Аналогичная полярная ночь существует и для приполярных областей Южного полушария, разница между ними составляет ровно полгода.
Что дает Земле ее вращение вокруг Солнца
Планеты не могут не вращаться вокруг своих светил – в противном случае они бы просто были притянуты и сгорели. Уникальность Земли заключается в том, что наклон ее оси в 23,44о оказался оптимален для возникновения всего многообразия жизни на планете.
Именно благодаря наклону оси происходит смена времен года, существуют разные климатические зоны, обеспечившие многообразие земной флоры и фауны. Изменение нагрева земной поверхности обеспечивает движение воздушных масс, а значит, и выпадение осадков в виде дождя и снега.
Расстояние от Земли до Солнца в 149 600 000 км также оказалось оптимальным. Немного дальше, и вода бы на Земле находилась только в виде льда. Немного ближе, и температура была бы уже слишком высока. Само возникновение жизни на Земле и многообразие ее форм стало возможно именно благодаря уникальному совпадению такого множества факторов.
Земля совершает не только суточное вращательное движение вокруг оси (подробнее: ), а обладает ещё поступательным движением по своей орбите вокруг Солнца , вместе с другими планетами чего мы, однако, не замечаем.
Земля вокруг солнца
Нам кажется, что Земля находится в неподвижном состоянии, а Солнце обращается вокруг неё.
Чтобы наиболее наглядно представить , вообразите, что ваш корабль бросил якорь и встал на рейд около какого-то портового города. Вы спустили шлюпку и пошли в устье небольшой реки. Стоит ясная и тихая погода. Шлюпка несётся по водной глади, и кажется, что берега реки быстро бегут вам навстречу, а шлюпка стоит неподвижно.
Вот такой же неподвижной люди раньше считали Землю, наблюдая кажущееся движение Солнца по зодиакальным созвездиям.
Всего в солнечной системе известно девять больших планет : Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон . Собственного света планеты не имеют, и если иногда мы наблюдаем их в виде очень ярких звёзд, то это потому, что они отражают падающий на них свет Солнца.
Планеты перемещаются по небу между звёздами, почему их и назвали планетами, то есть «блуждающими светилами».
Периоды вращения планет вокруг Солнца
Скорости и периоды вращения планет вокруг Солнца различны в зависимости от их расстояния до Солнца. Планеты, более близкие к Солнцу, вращаются с большей скоростью и совершают свои путь вокруг него в значительно более короткие промежутки времени, чем планеты, находящиеся дальше от Солнца.
Так, например, Меркурий – ближайшая к Солнцу планета – совершает свой путь вокруг Солнца всего лишь в 88 суток . Плутон, находящийся по сравнению со всеми другими известными нам планетами на самом далеком расстоянии от Солнца, – в 249 земных лет .
Пути, по которым вращаются планеты вокруг Солнца
Пути, по которым вращаются планеты вокруг Солнца , называются их орбитами . Орбиты планет представляют собой эллипсы, или вытянутые окружности. Впервые это доказал гениальный математик и астроном Иоганн Кеплер .
Степень вытянутости планетных орбит различна и сравнительно невелика. Наибольшей вытянутостью обладают орбиты Меркурия и Плутона. Что касается земной орбиты, то можно сказать, что она почти не отличается от окружности .
Эллипс нетрудно нарисовать. Возьмём небольшой длины нить и свяжем её концы между собой. Наденем эту нить на две булавки, воткнутые в лист бумаги, плотно лежащий на столе, одна от другой на расстоянии, немного меньшем половины всей нити.
Натянем карандашом нить и, сохраняя ее в этом положении, проведём им по листу бумаги, лежащему на столе. Получится эллипс.
Точки, в которые воткнуты булавки, называются фокусами . Солнце находится в одном из фокусов эллипсов орбит Земли и всех других планет солнечной системы.
Фокусы планетных орбит находятся очень близко к центрам эллипсов, которые лежат как раз посредине между фокусами.
Расстояние Земли от Солнца
Среднее расстояние Земли от Солнца составляет около 150 миллионов километров . Это расстояние почти в 3750 раз превышает длину окружности земного экватора. Чтобы покрыть расстояние от Земли до Солнца, поезд, движущийся со скоростью 50 километров в час, должен идти без остановок около 350 лет. Даже на самолёте, летящем со скоростью около 350 километров в час, нам потребовалось бы 50 лет, чтобы долететь до Солнца.
Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает за год, точнее в 365 ¼ суток. В это время наша планета покрывает в мировом пространстве расстояние около 900 миллионов километров. Более 20 тысяч лет должен безостановочно идти пешеход, проходя за каждый час 5 километров, чтобы пройти это расстояние. Самолёту, летящему со скоростью 350 километров в час, потребовалось бы около 300 лет, чтобы совершить беспосадочный перелёт на расстояние, равное годичному пути нашей Земли.
Каждую секунду Земля перемещается по своей орбите почти на 30 километров . В час она проходит путь около 108 тысяч километров . Представляете теперь себе, насколько велик годичный путь Земли и с какой громадной скоростью она мчится в безграничных мировых просторах.
Мы, постоянные земные пассажиры, не ощущаем ни сотрясений, ни каких-либо других неудобств в своём путешествии по Вселенной на этом «корабле». Нам не страшна бездна, окружающая нас, – мы крепко обосновались на нашей Земле.
Если бы мы могли создать такой летающий снаряд, скорость полёта которого равнялась бы скорости движения Земли вдоль своей орбиты или хотя бы даже 11 – 12 километрам в секунду, то этот снаряд при первом же своём полёте покинул бы Землю и, преодолев силу её притяжения, навсегда скрылся бы от наших взоров в безграничном мировом пространстве.
Если бы мы имели такую пушку, снаряды которой обладали бы скоростью полёта около 9 километров в секунду, то эти снаряды превратились бы в вечных спутников нашей планеты, они вечно кружились бы вокруг Земли и никак не могли бы ни улететь далеко в космическое пространство, ни упасть на Землю.
Путь Земли по орбите
Земля движется по своей орбите вокруг Солнца не с одинаковой скоростью. Чем ближе она находится к Солнцу, тем больше её скорость, и, наоборот – с удалением от Солнца её скорость уменьшается. В точке афелия (точка на земной орбите, которая дальше всего находится от Солнца), скорость движения Земли наименьшая, а в точке перигелия (точка на земной орбите, которая находится ближе всего к Солнцу) – наибольшая.
Земля — космический объект, вовлеченный в непрерывное движение Вселенной. Она вращается вокруг своей оси, преодолевает миллионы километров по орбите вокруг Солнца, вместе со всей планетарной системой медленно огибает центр галактики Млечный путь. Первые два движения Земли отчетливо заметны для ее обитателей по смене суточной и сезонной освещенности, изменению температурного режима, особенностям времен года. Сегодня в центре нашего внимания характеристики и период обращения Земли вокруг Солнца, его влияние на жизнь планеты.
Общие сведения
Наша планета движется по третьей по удаленности от светила орбите. От Солнца Землю в среднем отделяет 149,5 миллиона километров. Протяженность орбиты составляет примерно 940 млн км. Это расстояние планета преодолевает за 365 дней и 6 часов (один звездный, или сидерический, год — период обращения Земли вокруг Солнца относительно удаленных светил). Скорость ее во время движения по орбите достигает в среднем 30 км/с.
Для земного наблюдателя обращение планеты вокруг светила выражается в изменении положения Солнца на небосводе. Оно перемещается на один градус в день в восточном направлении по отношению к звездам.
Орбита планеты Земля
Траектория движения нашей планеты не является идеальным кругом. Она представляет собой эллипс с Солнцем в одном из его фокусов. Такая форма орбиты «вынуждает» Землю то приближаться к светилу, то удаляться от него. Точка, в которой расстояние от планеты до Солнца минимальное, называется перигелий. Афелий — участок орбиты, где Земля максимально удалена от светила. В наше время первая точка достигается планетой примерно 3 января, а вторая — 4 июля. При этом Земля движется вокруг Солнца не с постоянной скоростью: после прохождения афелия она ускоряется и замедляется, преодолев перигелий.
Минимальное расстояние, разделяющее два космических тела в январе, составляет 147 млн км, максимальное — 152 млн км.
Спутник
Вместе с Землей вокруг Солнца движется и Луна. При наблюдении с северного полюса спутник движется против часовой стрелки. Орбита Земли и орбита Луны лежат в разных плоскостях. Угол между ними примерно 5º. Это несовпадение значительно уменьшает количество лунных и солнечных затмений. Если бы плоскости орбит были идентичными, то одно из этих явлений случалось раз в две недели.
Орбита Земли и устроены таким образом, что оба объекта вращаются вокруг общего центра масс с периодом примерно 27,3 суток. При этом приливные силы спутника постепенно замедляют движение нашей планеты вокруг оси, тем самым незначительно увеличивая продолжительность дня.
Последствия
Ось нашей планеты не перпендикулярна плоскости ее орбиты. Этот наклон, а также движение вокруг светила приводят к определенным изменениям климата в течение года. Солнце поднимается выше над территорией нашей страны в то время, когда к нему наклонен северный полюс планеты. День становится длиннее, температура растет. Когда отклоняется от светила, на смену теплу приходит похолодание. Аналогичные изменения климата свойственны и южному полушарию.
Смена времен года происходит в точках равноденствия и солнцестояния, характеризующих определенное положение земной оси относительно орбиты. Остановимся на этом подробнее.
Самый длинный и самый короткий день
Солнцестояние — это момент времени, когда планетарная ось максимально наклонена к светилу или в противоположную сторону. Орбита движения Земли вокруг Солнца имеет два таких участка. В средних широтах точка, в которой оказывается светило в полдень, с каждым днем поднимается все выше. Так продолжается вплоть до летнего солнцестояния, которое приходится на 21 июня в северном полушарии Затем место полуденного пребывания светила начинает снижаться до 21-22 декабря. На эти дни в северном полушарии приходится зимнее солнцестояние. В средних широтах наступает самый короткий день, а затем он начинает прибывать. В южном полушарии наклон оси противоположный, поэтому приходится здесь на июнь, а летнее — на декабрь.
День равен ночи
Равноденствие — момент, когда ось планеты становится перпендикулярна к плоскости орбиты. В это время терминатор, граница между освещенной и темной половиной, проходит строго по полюсам, то есть день равен ночи. Таких точек на орбите тоже две. Весеннее равноденствие приходится на 20 марта, осеннее — на 23 сентября. Эти даты справедливы для северного полушария. В южном аналогично солнцестояниям равноденствия меняются местами: на март приходится осеннее, а на сентябрь — весеннее.
Где теплее?
Круговая орбита Земли — ее особенности в сочетании с наклоном оси — имеет еще одно следствие. В тот момент, когда планета проходит ближе всего к Солнцу, в его сторону смотрит южный полюс. В соответствующем полушарии в это время лето. Планета в момент прохождения перигелия получает на 6,9 % больше энергии, чем тогда, когда преодолевает афелий. Эта разница приходится именно на южное полушарие. В течение года оно получает чуть больше солнечного тепла, чем северное. Однако различие это несущественно, поскольку весомая часть «дополнительной» энергии приходится на водные просторы южного полушария и поглощается ими.
Тропический и сидерический год
Период обращения Земли вокруг Солнца относительно звезд, как уже говорилось, составляет примерно 365 дней 6 часов 9 минут. Это сидерический год. Логично предположить, что и смена сезонов укладывается в этот отрезок. Однако это не совсем так: время обращения Земли вокруг Солнца не совпадает с полным периодом смены сезонов. Она составляет так называемый тропический год, длящийся 365 дней 5 часов и 51 минуту. Измеряют его чаще всего от одного весеннего равноденствия до другого. Причина двадцатиминутной разницы между продолжительностью двух периодов — прецессия земной оси.
Год календарный
Для удобства принято считать, что в году 365 дней. Оставшиеся шесть с небольшим часов складываются в сутки за четыре оборота Земли вокруг Солнца. Для компенсации этого и с целью не допустить увеличение разницы между календарным и сидерическим годом вводится «дополнительный» день, 29 февраля.
Некоторое влияние на этот процесс оказывает единственный спутник Земли - Луна. Выражается оно, как отмечалось ранее, в замедлении вращения планеты. Каждые сто лет длительность суток увеличивается примерно на одну тысячную.
Григорианский календарь
Привычный нам счет дням был введен в 1582 году. в отличие от юлианского на протяжении длительного времени позволяет «гражданскому» году соответствовать полному циклу смены сезонов. Согласно ему каждые четыреста лет точно повторяются месяцы, дни недели и даты. По длительности год в григорианском календаре очень близок к тропическому.
Целью реформы было возвращение дня весеннего равноденствия на привычное место — на 21 марта. Дело в том, что с первого века нашей эры до шестнадцатого реальная дата, когда день равен ночи, передвинулась на 10 марта. Главной мотивацией пересмотра календаря стала необходимость правильного расчета дня Пасхи. Для этого было важно сохранить 21 марта днем, приближенным к реальному равноденствию. С этой задачей григорианский календарь справляется очень неплохо. Смещение даты весеннего равноденствия на один день произойдет не раньше, чем через 10 000 лет.
Если сравнивать календарный и то тут возможны более существенные изменения. В результате особенностей движения Земли и влияющих на него факторов примерно за 3200 лет накопится несоответствие со сменой сезонов длиною в один день. Если в это время будет важным сохранить примерное равенство тропического и календарного года, то вновь потребуется реформа, аналогичная той, что было осуществлена в XVI веке.
Период обращения Земли вокруг Солнца, таким образом, соотносится с понятиями календарного, сидерического и тропического года. Способы определения их продолжительности совершенствуются со времен античности. Новые данные о взаимодействии объектов в космическом пространстве позволяют делать предположения об актуальности современного понимания термина «год» через две, три и даже десять тысяч лет. Время обращения Земли вокруг Солнца и его связь со сменой сезонов и календарем — хороший пример влияния глобальных астрономических процессов на общественную жизнь человека, а также зависимостей отдельных элементов внутри глобальной системы Вселенной.