Вращение Земли вокруг оси проявляется во многих явлениях на ее поверхности. Например, пассаты (постоянные ветры в тропических областях обоих полушарий, дующие к экватору) вследствие вращения Земли с запада на восток дуют с северо-востока в северном полушарии и с юго-востока - в южном полушарии; в северном полушарии подмываются правые берега рек, в южном - левые; при движении циклона с юга на север его путь отклоняется к востоку и т.д.
a ) б )
Рис. 12: Маятник Фуко. А - плоскость качания маятника.
Но наиболее наглядным следствием вращения Земли является опыт с физическим маятником, впервые поставленный физиком Фуко в 1851 г.
Опыт Фуко основан на свойстве свободного маятника сохранять неизменным в пространстве направление плоскости своих колебаний, если на него не действует никакая сила, кроме силы тяжести. Пусть маятник Фуко подвешен на северном полюсе Земли и колеблется в какой-то момент в плоскости определенного меридиана l (рис.12, a ). Через некоторое время наблюдателю, связанному с земной поверхностью и не замечающему своего вращения, будет казаться, что плоскость колебаний маятника непрерывно смещается в направлении с востока на запад, “за Солнцем”, т.е. по ходу часовой стрелки (рис.12,6 ). Но так как плоскость качания маятника не может произвольно менять своего направления, то приходится признать, что в действительности поворачивается под ним Земля в направлении с запада к востоку. За одни звездные сутки плоскость колебаний маятника совершит полный оборот относительно поверхности Земли с угловой скоростью w= 15° в звездный час. На южном полюсе Земли маятник совершит за 24 звездных часа также один оборот, но против часовой стрелки.
Рис 13.
Если маятник подвесить на земном экваторе и ориентировать плоскость его качания в плоскости экватора, т. е. под прямым yглом к меридиану l (рис. 12), то наблюдатель не заметит смещения плоскости его колебаний относительно земных предметов, т.е. она будет казаться неподвижной и оставаться перпендикулярной к меридиану. Результат не изменится, если маятник на экваторе будет колебаться в какой-либо другой плоскости. Обычно говорят, что на экваторе период вращения плоскости колебаний маятника Фуко бесконечно велик.
Если маятник Фуко подвесить на широте j , то его колебания будут происходить в плоскости, вертикальной для данного места Земли.
Вследствие вращения Земли наблюдатeлю будет казаться, что плоскость колебаний маятника поворачивается вокруг вертикали данного места. Угловая скорость этого поворота w j равна проекции вектора угловой скорости вращения Земли w на вертикаль в данном месте О (рис. 13), т.е.
w j --= w sin j = 15° sin j .
Таким образом, угол видимого поворота плоскости колебаний маятника относительно поверхности Земли пропорционален синусу географической широты.
Фуко поставил свой опыт, подвесив маятник под куполом Пантеона в Париже. Длина маятника была 67 м, вес чечевицы - 28 кг. В 1931 г. в Ленинграде в здании Исаакиевского собора был подвешен маятник длиной 93 м и весом 54 кг. Амплитуда колебаний этого маятника равна 5 м , период - около 20 секунд. Острие его чечевицы при каждом следующем возвращении в одно из крайних положений смещается в сторону на 6 мм. Таким образом, за 1-2 минуты можно убедиться в том, что Земля действительно вращается вокруг своей оси.
Рис. 14
Вторым следствием вращения Земли (но менее наглядным) является отклонение падающих тел к востоку. Этот опыт основан на том, что чем дальше находится точка от оси вращения Земли, тем больше ее линейная скорость, с которой она перемещается с запада на восток вследствие вращения Земли. Поэтому вершина высокой башни В перемещается к востоку с большей линейной скоростью, нежели ее основание О (рис. 14). Движение тела, свободно падающего с вершины башни, будет происходить под действием силы притяжения Земли с начальной скоростью вершины башни. Следовательно, прежде чем упасть на Землю, тело будет двигаться по эллипсу, и хотя скорость его движения постепенно увеличивается, упадет оно на поверхность Земли не у основания башни, а несколько обгонит его, т.е. отклонится от основания в сторону вращения Земли, к востоку.
В теоретической механике для расчета величины отклонения тела к востоку х получена формула
где h - высота падения тела в метрах, j - географическая широта места опыта, а х выражено в миллиметрах.
С осевым движением связаны явления суточной ритмичности и биоритмы. Суточный ритм связан со световыми и температурными условиями. Биоритмы - это важный процесс в развитии и существовании жизни. Без них невозможны фотосинтез, жизнедеятельность дневных и ночных животных и растений и, конечно же, жизнь самого человека (люди совы, люди жаворонки).
В настоящее время вращение Земли непосредственно наблюдается из космоса.
Земля (лат. Terra) - третья от Солнца планета Солнечной системы, крупнейшая по диаметру, массе и плотности среди планет земной группы.
Земля взаимодействует (притягивается гравитационными силами) с другими объектами в космосе, включая Солнце и Луну. Земля обращается вокруг Солнца и делает вокруг него полный оборот примерно за 365,26 дней. Этот отрезок времени - сидерический год, который равен 365,26 солнечным суткам. Ось вращения Земли наклонена на 23,4° относительно её орбитальной плоскости, это вызывает сезонные изменения на поверхности планеты с периодом в один тропический год (365,24 солнечных суток).
Одним из доказательств орбитального вращения Земля является смена времен года. Правильное понимание наблюдаемых небесных явлений и места Земли в Солнечной системе складывалось веками. Окончательно сломил представление о неподвижности Земли Николай Коперник. Коперник показал, что именно вращением Земли вокруг Солнца можно объяснить видимые петлеобразные движения планет. Центром планетной системы является Солнце.
Ось вращения Земли отклонена от оси орбиты (т. е. прямой, перпендикулярной плоскости орбиты) на угол, равный примерно 23,5°. Если бы не было этого наклона, смены времен года не существовало бы. Регулярная смена времен года - следствие движения Земли вокруг Солнца и наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты. В северном полушарии Земли наступает лето, когда северный полюс Земли освещается Солнцем, а южный полюс планеты располагается в ее тени. При этом в южном полушарии наступает зима. Когда в северном полушарии весна, то в южном - осень. Когда в северном полушарии осень, в южном - весна. Времена года в южном и северном полушариях всегда противоположны. Примерно 21 марта и 23 сентября во всем мире день и ночь продолжаются 12 часов. Эти дни называются днями весеннего и осеннего равноденствия. Летом продолжительность светлого времени суток больше, чем зимой, следовательно, северное полушарие Земли в течение весны и лета с 21 марта по 23 сентября получает гораздо больше тепла, чем осенью и зимой с 23 сентября по 21 марта.
Как известно, Земля обращается по своей орбите вокруг Солнца. Для нас, находящихся на поверхности Земли людей, такое годовое движение Земли вокруг Солнца заметно в виде годового перемещения Солнца на фоне звезд. Как мы уже знаем, путь Солнца среди звезд является большим кругом небесной сферы и называется эклиптикой. Значит, эклиптика является небесным отражением орбиты Земли, поэтому плоскость орбиты Земли называют еще плоскостью эклиптики. Ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости эклиптики, а отклоняется от перпендикуляра на угол. Благодаря этому на Земле происходит смена времен года (см. рис. 15). Соответственно, и плоскость земного экватора наклонена на этот же угол к плоскости эклиптики. Линия пересечения плоскости земного экватора и плоскости эклиптики сохраняет (если не учитывать прецессию) неизменное положение в пространстве. Один ее конец указывает на точку весеннего равноденствия, другой - точку осеннего равноденствия. Эти точки неподвижны относительно звезд (с точностью до прецессионного движения!) и вместе с ними участвуют в суточном вращении.
Рис. 15.
Вблизи 21 марта и 23 сентября Земля расположена относительно Солнца таким образом, что граница света и тени на поверхности Земли проходит через полюса. А поскольку каждая точка на поверхности Земли совершает суточное движение вокруг земной оси, то ровно половину суток она будет на освещенной части земного шара, а вторую половину - на затененной. Таким образом, в эти даты день равен ночи, и они называются соответственно днями весеннего и осеннего равноденствий. Земля в это время находится на линии пересечения плоскостей экватора и эклиптики, т.е. в точках весеннего и осеннего равноденствий, соответственно.
Выделим еще две особенные точки на орбите Земли, которые называются точками солнцестояний, а даты, на которые приходится прохождение Земли через эти точки, днями солнцестояний.
В точке летнего солнцестояния, в которой Земля бывает вблизи 22 июня (день летнего солнцестояния), северный полюс Земли направлен в сторону Солнца, и большую часть суток любая точка северного полушария освещена Солнцем, т.е. в эту дату день - самый длинный в году.
В точке зимнего солнцестояния, в которой Земля бывает вблизи 22 декабря (день зимнего солнцестояния), северный полюс Земли направлен в сторону от Солнца, и большую часть суток любая точка северного полушария находится в тени, т.е. в эту дату ночь - самая длинная в году, а день - самый короткий.
Из-за того, что календарный год по продолжительности не совпадает с периодом обращения Земли вокруг Солнца, дни равноденствий и солнцестояний в разные годы могут приходиться на разные дни (-+ один день от названных выше дат). Однако в дальнейшем при решении задач мы будем пренебрегать этим и считать, что дни равноденствий и солнцестояний всегда приходятся на указанные выше даты.
Перейдем от реального движения Земли в пространстве к видимому движению Солнца для наблюдателя, находящегося на широте,. В течение года центр Солнца движется по большому кругу небесной сферы, по эклиптике, против часовой стрелки. Поскольку плоскость эклиптики в пространстве неподвижна относительно звезд, то эклиптика вместе со звездами будет участвовать в суточном вращении небесной сферы. В отличие от небесного экватора и небесного меридиана эклиптика будет менять свое положение относительно горизонта в течение суток.
Как изменяются координаты Солнца в течение года? Прямое восхождение изменяется от 0 до 24 h , а склонение изменяется от - до +. Лучше всего это можно увидеть на небесной карте экваториальной зоны (рис. 16).
Рис. 16.
Для четырех дней в году мы знаем координаты Солнца точно. Ниже в таблице даны эти сведения.
Таблица 2. Данные о Солнце в дни равноденствий и солнцестояний
|
т. восхода |
т. захода |
h max |
||
|
0 h 00 m |
||||
|
23 o 26" |
6 h 00 m |
сев.-вост. |
||
|
12 h 00 m |
||||
|
23 o 26" |
18 h 00 m |
В таблице указана также полуденная (в момент верхней кульминации) высота Солнца на эти даты. Для того, чтобы вычислить высоту Солнца в моменты кульминаций на любой другой день года, нам необходимо знать в этот день.
Материал дает представление о том, что такое осевое вращение планеты. Раскрывает тайну о восходе и заходе солнца и указывает на факторы влияющие на форму земли в следствии ее вращения.
Осевое вращение земли и его следствия
Благодаря астрономическим наблюдениям был установлен факт, который доказывает, что Земля единовременно принимает активное участие в нескольких видах движения. Если рассматривать нашу планету как часть Солнечной системы, то она совершает обороты вокруг центра Млечного Пути. А если рассматривать планету как единицу Галактики, то она является участницей уже движения на галактическом уровне.
Рис. 1. Осевое вращение земли.
Главным типом движения, которое исследуется учеными с древнейших времён, является вращение Земли вокруг собственной оси.
Осевым вращением Земли именуется размеренное обращение ее вокруг представляемой оси. Все объекты, которые находятся на поверхности планеты, также вращаются вместе с ней. Поворот планеты совершается в противоположном направлении относительно привычного всем движения часовой стрелки. Благодаря этому восход солнца можно отмечать на востоке, а закат — на западе. Ось Земли имеет угол наклона равный 661/2° относительно орбитальной плоскости.
Ось имеет четкие ориентиры в пространстве космоса: её северная оконечность все время обращена к Полярной звезде.
Осевое вращение Земли дает представление о видимом движении небесных тел без использования специализированного оборудования.
ТОП-2 статьи которые читают вместе с этой
Рис. 2. Движение звезд и луны по небу.
Вращением Земли обусловлена смена дня и ночи. Сутки - период абсолютного оборота планеты вокруг оси. Продолжительность суток напрямую зависит от скорости вращения планеты.
Из-за вращения планеты все движущиеся по её поверхности тела отклоняются от исходной направленности в Северном полушарии вправо по ходу своего движения, а в Южном — влево. В реках такая сила в большей степени припирает воду к одному из берегов. У водных артерий Северного полушария часто крутым остается правый берег, а в Южном — левый.
Рис. 3. Берега рек.
Влияние осевого вращения на форму земли
Планета Земля представляет собой идеальную сферу. Но из-за того, что она слегка сжата в области полюсов, расстояние от ее центра до полюсов на 21 километр меньше, чем расстояние от центра Земли до экватора. Поэтому меридианы на 72 километра короче, чем экватор.
Осевое вращение является причиной:
- суточных изменений;
- поступления света и тепла на поверхность;
- возможностью наблюдать очевидное передвижение небесных тел;
- различий во времени в разных частях земли.
Чтобы понять, как влияет осевое вращение на форму земли, нужно принимать во внимание действие общепринятых законов физики. Как уже было отмечено, планета имеет «сплющивание» у полюсов из-за действия на нее центробежной силы и гравитации.
Планета вращается так же, как и движется вокруг Солнца. Такие величины как форма, параметры и движение Земли играют большую роль в развитии всех географических явлений и процессов.
Сегодня достоверно известно, что Земля на самом деле постепенно замедляет свое вращение. Из-за силы приливов, которыми связана наша планета с Луной, каждое столетие сутки становятся длиннее на 1,5-2 миллисекунды. Через почти полтора млн. лет в сутках будет уже на один час больше. Людям не стоит опасаться полной остановки Земли. Цивилизация попросту не доживет до этого момента. Приблизительно через 5 млрд. лет Солнце увеличится в размерах и поглотит нашу планету.
Что мы узнали?
Из материала по географии для 5 класса, мы узнали, на что влияет вращение планеты вокруг своей оси. Какие силы воздействуют на форму земли. От чего зависит деление земных суток на день и ночь. За счет чего происходит обогрев Земли солнечными лучами. Что может привести к появлению лишнего часа в сутках. Какое космическое тело теоретически сможет поглотить землю.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 277.
Движение вокруг своей оси.
Земля вращается с запада на восток, против часовой стрелки, при этом угловая скорость вращения, т.е. угол на который поворачивается любая точка на поверхности Земли, одинакова и составляет 15 градусов в час. Линейная скорость зависит от широты
местности: на экваторе она максимальна и составляет 464 м/с, на полюсах скорость падает до нуля. Полный оборот вокруг своей оси наша планета производит за 23 часа 56 мин 4 сек. (сутки). За земную ось принимают воображаемую прямую линию, проходящую через полюса, вокруг которой вращается Земля. Перпендикулярно оси расположен экватор – это большой круг, образованный пересечением Земли, перпендикулярный оси вращения на расстоянии, равном от обоих полюсов. Если мысленно пересечь рядом параллельных экватору плоскостей, на земной поверхности появятся линии называемые параллелями. Они имеют направление запад-восток. Длина параллелей от экватора к полюсам уменьшается, соответственно уменьшается и скорость вращения точек. Если пересечь Землю плоскостями, проходящими через ось вращения то на поверхности возникают линии, которые называются меридианами. Они имеют направление север-юг, линейная скорость вращения точек на меридианах различна и от экватора к полюсам уменьшается.
Следствия движения Земли вокруг своей оси :
1. При вращении Земли возникает центробежная сила, которая играет важную роль в формировании фигуры планеты и тем самым уменьшает силу притяжения.
2. Происходит смена дня и ночи.
3 Появляется отклонение тел от направления их движения, этот процесс был назван сила Кориолиса Все тела по инерции стремятся сохранить направление своего движения. Если движение происходит относительно перемещающейся поверхности происходит отклонение этого тела слегка в сторону. Все тела, движущиеся в северном полушарии отклоняются вправо, в южном полушарии – влево. Данная сила проявляется во многих процессах: она изменяет движение воздушных масс, морских течений. По этой причине происходит подмыв правых берегов в северном полушарии и левых берегов в южном полушарии.
4. С осевым движением связаны явления суточной ритмичности и биоритмы. Суточный ритм связан со световыми и температурными условиями. Биоритмы – это важный процесс в развитии и существовании жизни. Без них невозможны фотосинтез, жизнедеятельность дневных и ночных животных и растений и, конечно же, жизнь самого человека (люди совы, люди жаворонки).
5)Доказательство вращения земли.
В середине XIX века Жан Бернард Леон Фуко смог провести опыт, который демонстрирует вращение Земли достаточно наглядно. Опыт этот был проведен неоднократно, а публично сам экспериментатор представил его в 1851 году в здании Пантеона в Париже.
Здание Парижского Пантеона в центре венчает громадный купол, к которому была прикреплена стальная проволока длиной 67 м. К этой проволоке подвесили массивный металлический шар. По разным источникам, масса шара составляла от 25 до 28 кг. Проволока крепилась к куполу таким образом, чтобы получившийся маятник мог качаться в любой плоскости.
Маятник совершал колебания над круглым постаментом диаметром 6 м, по краю которого был насыпан валик из песка. При каждом качании маятника острый стержень, укрепленный на шаре снизу, оставлял на валике отметку, сметая с ограждения песок.
По прошествии каждого периода новая отметка, производимая острием стержня на песке, оказывалась примерно в 3 мм от предыдущей. За первый час наблюдений плоскость качаний маятника повернулась на угол около 11° по часовой стрелке. Полный же оборот плоскость маятника совершила примерно за 32 часа.
В основу опыта был положен уже известный в то время экспериментальный факт: плоскость качания маятника на нити сохраняется независимо от вращения основания, к которому подвешен маятник. Маятник стремится сохранить параметры движения в инерциальной системе отсчета, плоскость которой неподвижна относительно звезд. Если поместить маятник Фуко на полюсе, то при вращении Земли плоскость маятника будет оставаться неизменной, и наблюдатели, вращающиеся вместе с планетой, должны видеть, как плоскость качаний маятника поворачивается без воздействия на него каких-либо сил. Таким образом, период вращения маятника на полюсе равен периоду обращения Земли вокруг своей оси – 24 часам. На других широтах период будет несколько больше, т. к. на маятник действуют силы инерции, возникающие во вращающихся системах – силы Кориолиса. На экваторе плоскость маятника вращаться не будет – период равен бесконечности.
6)Ускорение Кориолиса и его значение для процессов в географической оболочке
.
Появляется отклонение тел от направления их движения, этот процесс был назван сила Кориолиса Все тела по инерции стремятся сохранить направление своего движения. Если движение происходит относительно перемещающейся поверхности происходит отклонение этого тела слегка в сторону. Все тела, движущиеся в северном полушарии отклоняются вправо, в южном полушарии – влево. Данная сила проявляется во многих процессах: она изменяет движение воздушных масс, морских течений. По этой причине происходит подмыв правых берегов в северном полушарии и левых берегов в южном полушарии
Названа по имени французского учёного Гюстава Гаспара Кориолиса, описавшего его в 1833 году.
7)Обращение Земли вокруг Солнца и его следствия.
Путь Земли вокруг Солнца называется орбитой. Орбита Земли – это эллипс, близкий к окружности. Ее длина составляет более 930 млн. км. Полный оборот Земля осуществляет за 365 суток 6 часов и 9 минут. Этот промежуток называют звездным годом.
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.
Все планеты движутся во Вселенной. Эти движения обусловлены разными физическими воздействиями на космические тела и имеют сложную природу. Земля также совершает множество движений, которые можно проанализировать и разложить на разные составляющие.
Эти движения можно классифицировать в масштабах:
- Вселенной;
- Галактики;
- Солнечной системы;
- общего с Луной центра масс;
- Земли.
Галактика, в которой находится Солнечная система, называется Млечный путь. Учёные предполагают, что эта галактика вращается вокруг центра Вселенной вместе с другими галактиками. Вокруг центра Млечного пути вращается Солнечная система со всеми объектами, в том числе с Землёй, и этот путь она совершает за один галактический год, который составляет примерно 230 миллионов лет.
При переходе на ещё меньший масштаб , обнаружится, что наша планета совершает путь вокруг Солнца. Кроме того, Земля вместе с Луной вращаются вокруг их общего центра масс, который находится не в центре земного шара, а близко к его поверхности. Из-за этого наша планета по орбите движется по слегка спиралевидному пути, если наблюдать со стороны, а не с Земли. Все эти виды движений незаметны или малозаметны для землян.
Скорость вращения
Можно сказать, что вращение тела обладает двумя скоростями , в зависимости от того, какой системой измерений пользоваться:
- линейной;
- угловой.
Если измерять скорость вращения как расстояние, которое проходит точка за определённое время, то чем дальше точка расположена от воображаемой оси вращения, тем выше у неё будет скорость. И чем точка ближе к оси, тем ниже её скорость. Эта скорость называется линейной. В точках оси - скорость равна нулю.
Но если скорость вращения измерять в градусах, то любая точка на поверхности тела или внутри него будет двигаться с одинаковой скоростью, независимо от того, далеко она расположена от оси или близко. Скорость вращения, измеряемая в градусах, называется угловой.
Можно измерять скорость вращения Земли с помощью наблюдения за перемещением двух предметов на поверхности, находящихся на одном меридиане, но в разных широтах. Допустим, предмет, А будет на экваторе, а предмет Б - в северной широте. Вследствие этого обнаружится, что предмет, А относительно оси планеты проделал расстояние за единицу времени большее, чем предмет Б. Это значит, что предмет, А двигался быстрее предмета Б.
Но если измерять угловую скорость в градусах по одним и тем же предметам или меткам, то угловая скорость у них будет одинаковой, так как они повернутся относительно оси планеты на один и тот же угол за определённый отрезок времени. Для исследования многих природных явлений, таких как, например, сила Кориолиса, необходимо использовать линейный способ измерения скорости вращения.
У Земли максимальной линейной скоростью вращения будет обладать поверхность в районе экватора, и эта скорость составляет 465 м/с или 1674 км/час. Чем ближе точка на поверхности земного шара к любому из полюсов, тем ниже будет скорость. На полюсах линейная скорость вращения равна нулю, так как эти точки находятся на воображаемой оси.
Смена времени суток
Самым заметным для жителей Земли обстоятельством и основным географическим следствием осевого вращения нашей планеты является смена времён суток, а для землян, живущих на определённом расстоянии от экватора - ещё и времён года.
День и ночь сменяются потому , что параллельные лучи света от Солнца одновременно падают только на одну сторону планеты. Противоположная сторона Земли находится в тени. Это значит, что на повёрнутой к светилу стороне будет день, а на обратной - ночь. Если бы земной шар постоянно был повёрнут только одной стороной к Солнцу, то на освещённой стороне была бы температура около +100° C, вся вода должна была бы испариться, а на тёмной стороне поверхность планеты была бы под слоем льда. Условия на обеих сторонах Земли в этом случае были бы непригодны для жизни.
Вследствие ритмичности смены дня и ночи, времён года, а, значит, световых и температурных режимов, на Земле всё живое подчиняется определённым биоритмам . При этом ритмическим изменениям подвержены не только все растения и животные, но и неживая природа.
Земля вращается по своей оси против часовой стрелки, если смотреть со стороны Полярной звезды, а именно - с северной стороны. А если точка наблюдения - со стороны экватора, когда Северный полюс вверху, то планета вращается слева направо или с запада на восток.
В связи с вращением Земли вокруг оси, используется понятие суток. Но сутки бывают разными:
- звёздными;
- солнечными;
- средними солнечными.
Звёздные сутки используются для астрономических исследований и наблюдений. Солнечные сутки - это период вращения Земли вокруг своей оси относительно Солнца. Они могут отличаться по продолжительности, поэтому для измерения времени в повседневной жизни используются средние солнечные сутки, которые длятся 24 средних солнечных часа и длиннее звёздных суток на 4 минуты.
Часовые пояса
С развитием коммуникаций между разными частями света, для удобства и безопасности были придуманы часовые пояса. Больше всего такая унификация была востребована с целью исключения путаницы и аварий на железной дороге.
Точное измерение времени с помощью часовых поясов стали использовать в 19-м веке. Первым, кому эта идея пришла в голову, был английский доктор Уильям Хайд Волластон. Земную поверхность условно разбили на 24 сектора, перпендикулярных экватору, каждый из которых составляет 15 градусов, а все вместе они определяют суточный цикл. Каждому поясу присвоено своё время (с разницей от соседнего в один час). При этом, чем западнее расположен пояс, тем больше отстаёт время.
При несовпадении границ часового пояса с государственными или административными очертаниями, их для удобства подстраивают под местность. Поэтому границы часовых поясов не всегда прямые. Их отсчёт начинается с нулевого, расположенного на Гринвичском меридиане . Этот пояс указывает всемирное время.
Смена времён года
Ось Земли относительно плоскости орбиты, по которой планета движется вокруг Солнца, находится не перпендикулярно, а под углом. Из-за этого на поверхность планеты в разных её участках попадает неравномерное количество тепла от Солнца.
Когда Земля находится на орбите по одну сторону от Солнца, она наклонена осью так, что обращена к светилу Северным полюсом, но, переместившись по орбите на противоположную сторону от Солнца, планета будет наклонена Южным полюсом. Это означает, что, в первом случае, лето будет в Северном полушарии, а в Южном - зима. Во втором случае, в Северном полушарии будет зима, а в Южном - лето. В промежуточных положениях Земли на орбите на её полушариях будут осень и весна.
Если бы ось Земли была перпендикулярна плоскости её орбиты, то времён года не было бы, так как Северное и Южное полушария всегда получали бы днём одинаковую порцию света и тепла.
Отклонение падающих тел
Все объекты, находящиеся на поверхности Земли, двигаются вместе с ней на одинаковой линейной скорости, вызванной вращением планеты вокруг своей оси. Чем дальше от оси будет предмет, двигающийся вместе с планетой, тем выше будет его скорость. Чем выше над поверхностью объект, тем с большей линейной скоростью он движется вместе с Землёй вокруг её оси.
Предметы, брошенные с большой высоты, изначально двигаются вместе с Землёй и падают на землю, слегка сместившись на восток. Это происходит по причине инерции , которую сохраняет брошенный с высоты предмет. Он сохраняет скорость, которая у него была на высоте. Эта скорость всегда выше, чем на поверхности Земли. Во время падения эта скорость, направленная на восток, перпендикулярна скорости падения.
В итоге предмет падает не вертикально, а чуть восточнее. На полюсах этого эффекта не будет, по причине отсутствия линейной скорости движения. Самолёт или другой летательный аппарат не годятся для проведения такого опыта, так как они не жёстко связаны с поверхностью земли и двигаются с ней не синхронно. Для этого лучше подойдут вышка или высокое здание.
Маятник Фуко
Этот эксперимент - простейший и наглядный тест на осевое вращение Земли.
По закону физики, плоскость траектории качающегося маятника находится всегда в одном положении по отношению к Мировому пространству. Но, если проследить за маятником в течение суток, станет очевидно, что направления его качаний постоянно меняются. Это происходит по причине вращения планеты вокруг собственной оси.
Этот маятник впервые использовал в своём эксперименте французский учёный Жан Фуко, в честь которого и был назван инструмент.
Сжатие Земли с полюсов
Во время вращения возникает центробежная сила, что не представляет исключения в случае с планетами. Таким образом, под действием центробежной силы , действующей перпендикулярно оси особенно сильно в районе экватора, наша планета в течение долгого времени приобрела форму эллипсоида (шара, сплюснутого с полюсов).
Влияние гравитации Луны
Естественный спутник Земли оказывает влияние не только на земную поверхность, но и на слои, пролегающие под ней. Это происходит под действием силы тяготения или гравитации. Больше всего гравитация Луны видна на поверхности Мирового океана. Земная вода притягивается спутником и образует волну, которая следует за Луной. Спутник движется вокруг Земли в противоположном направлении вращению нашей планеты по оси. И, так как вращение земного шара вокруг оси быстрее движения спутника вокруг Земли, приливная волна движется не с востока на запад , как движется Луна, а с запада на восток.
Эта противоположность движений способствует постепенному замедлению вращения обоих небесных тел. Луна всегда расположена по отношению к Земле одной стороной. Учёные утверждают, что в далёком будущем это же произойдёт и с нашей планетой, то есть оба небесных тела будут направлены по отношению друг к другу одной из своих сторон и продолжат вращаться вокруг своего общего центра масс.
Сила Кориолиса
Тело, совершающее прямолинейное движение во вращающейся среде, отклоняется в сторону, относительно этой среды. Такая вращающаяся среда называется неинерциальной системой координат. Подобной системой является Земля. Если среда вращается по часовой стрелке, то тело, движущееся в данной системе, будет отклоняться влево, относительно среды. При вращении неинерциальной системы против часовой стрелки, тело отклоняется вправо.
На примере это будет выглядеть так: если из пушки, которая находится на Северном полюсе, выстрелить ядром в направлении экватора, то для наблюдателя, находящегося на Земле, ядро начнёт постепенно отклоняться вправо. Это происходит потому, что планета двигается, вращаясь вокруг оси, и, пока ядро летит, она успевает повернуться. Если наблюдатель находится не на Земле, то есть не движется вместе с ней, то движение ядра будет прямолинейным.
В Южном полушарии подобное отклонение движущихся тел будет происходить влево, так как, если смотреть со стороны Южного полюса, планета вращается вокруг оси по часовой стрелке.
Этот эффект называется силой Кориолиса . Он назван по имени французского учёного, открывшего феномен. Примечательно то, что этот принцип действует при любом направлении тела по земной поверхности. Если стрельнуть ядром из пушки, стоящей на экваторе, в сторону Северного полюса, то снаряд для наблюдателя, находящегося на Земле, будет отклоняться вправо, точно так же, как при обратном направлении, то есть при стрельбе с Северного полюса на экватор.
При стрельбе с экватора на Южный полюс, снаряд отклонится влево, как при стрельбе с Южного полюса на экватор. Этот эффект наблюдается, благодаря инерции ядра, направленной в сторону вращения планеты. В начале движения снаряд находился на экваторе (в земной точке с самой высокой скоростью, возникающей вследствие осевого вращения). По мере движения ядра к полюсу, оно пролетает над точками земной поверхности, которые движутся медленнее экватора, а, значит, и бокового движения ядра, сохраняющегося из-за инерции. Таким образом, ядро постепенно «обгоняет» земную поверхность в боковом направлении и отклоняется в сторону.
Сила Кориолиса всегда действует перпендикулярно движению предмета. Эта сила действует не только на тела, движущиеся по направлению меридианов, но и в любых других направлениях, независимо от того, в какую сторону происходит движение.
Силу Кориолиса не совсем корректно называть силой, так как она, на самом деле, сама по себе никуда никого не тянет. Этот эффект строго относителен и существует только в неинерциальной системе.
А вот последствия этого эффекта вполне ощутимы. Например, вследствие силы Кориолиса, на планете образуются циклоны. Воздух из зон высокого давления стремится в области с низким давлением и сила Кориолиса отклоняет воздушные массы относительно движущейся поверхности вправо или влево, в зависимости от полушария. Поэтому циклоны закручиваются против часовой стрелки в Северном полушарии, а в Южном - по часовой.
Сила Кориолиса действует на реки и их русла. В Северном полушарии обычно правые берега рек более крутые и подмыты водой, которая утягивается вращающейся планетой вправо, в Южном - наоборот, левые.
На железнодорожные рельсы также оказывает воздействие данная сила. Правые рельсы одноколейных дорог в Северном полушарии будут изнашиваться больше, так как поезд утягивает вправо. В Южном полушарии больше изнашиваются левые рельсы.
Таковы общие следствия вращения нашей планеты вокруг оси, которые, в свою очередь, влияют на огромное количество обстоятельств и событий как на Земле, так и вокруг неё. Аналогичная тема раскрывается в учебнике по географии «Осевое вращение земли» 5 класс.