Осевое и орбитальное вращение Земли

Так почему же летом тепло, а зимой холодно? Вопреки распространенному мнению, долгота дня здесь не имеет решающего значения - в тропиках всегда жарко, хотя день там мало отличается от 12ч, а в средних широтах при такой же долготе дня (в конце марта или конце сентября) намного холоднее. На самом деле главный фактор смены времен года - это изменение дневной высоты Солнца над горизонтом. Пучок солнечного света с площадью поперечного сечения S несет одинаковое количество энергии и на экватор, и на полюса Земли, но распределяется он по площади S*sin(h?? где h - местная высота Солнца над горизонтом. И легко рассчитать, что на широте Москвы j--~--56°? в летний полдень (h--~--57°) на единицу площади земное поверхности попадает в 1.54 раза больше солнечного света, чем в полдень в равноденствие ?h ~ 34°), и в 4.34 раза больше, чем в зимний полдень (h ~ 11°), и в то же время в 1.21 раза меньше, чем от Солнца, находящегося в зените. На самом эти деле различия еще больше из-за того, что с уменьшением высоты Солнца над горизонтом быстро увеличивается толща земной атмосферы на пути света. Следовательно, из-за поглощения уменьшается доля дошедших до поверхности солнечных лучей.

Описанная астрономическая картина смены времен года не совсем симметрична для северного и южного полушария. Дело в том, что земная орбита имеет форму эллипса, поэтому орбитальная скорость Земли меняется, а вместе с ней меняется и видимая скорость перемещения Солнца по эклиптике. Поскольку Земля проходит перигелий в начале января, то южную часть эклиптики Солнце проходит немного быстрее, чем северную. Для иллюстрации можно посмотреть в эфемеридах Солнца, например, сколько дней его склонение меньше -20° и сколько - больше +20°. В 1999 году первый период получился 60 суток (с 23 ноября по 21 января), а второй - 65 суток (с 21 мая по 24 июля), так что лето в северном полушарии действительно на несколько дней длиннее, чем в южном. Однако при этом в северном полушарии летом Земля находится немного дальше от Солнца, чем зимой (примерно на 0.033 а.е.), и поэтому в перигелии Земля получает от Солнца в 1.07 раза больше энергии, чем в афелии. А это намного меньше, чем влияние изменения полуденной высоты Солнца - во столько же раз больше энергии дает Солнце на высоте 34° по отношению к высоте 31°.5. [6]

2.4 Высота полуденного Солнца над горизонтом

а) Для наблюдателя на северном полюсе Земли (j = + 90°) незаходящими светилами являются те, у которых d--і?? 0, а невосходящими те, у которых d--< 0.

Таб.1. Высота полуденного Солнца в разных широтах

Положительное склонение у Солнца бывает с 21 марта по 23 сентября, а отрицательное - с 23 сентября по 21 марта. Следовательно, на северном полюсе Земли Солнце приблизительно полгода бывает незаходящим, а полгода - невосходящим светилом. Около 21 марта Солнце здесь появляется над горизонтом (восходит) и вследствие суточного вращения небесной сферы описывает кривые, близкие к окружности и почти параллельные горизонту, поднимаясь с каждым днем все выше и выше. В день летнего солнцестояния (около 22 июня) Солнце достигает максимальной высоты h_mах = + 23° 27'. После этого Солнце начинает приближаться к горизонту, высота его постепенно уменьшается и после дня осеннего равноденствия (после 23 сентября) оно скрывается под горизонтом (заходит). День, длившийся полгода, кончается и начинается ночь, которая длится также полгода. Солнце, продолжая описывать кривые, почти параллельные горизонту, но под ним, опускается все ниже и ниже, В день зимнего солнцестояния (около 22 декабря) оно опустится под горизонт на высоту h_min = - 23° 27', а затем снова начнет приближаться к горизонту, высота его будет увеличиваться, и перед днем весеннего равноденствия Солнце снова появится над горизонтом. Для наблюдателя на южном полюсе Земли (j = - 90°) суточное движение Солнца происходит подобным же образом. Только здесь Солнце восходит 23 сентября, а заходит после 21 марта, и поэтому когда на северном полюсе Земли ночь, на южном - день, и наоборот.

б) Для наблюдателя на северном полярном круге (j = + 66° 33') незаходящими являются светила с d--і + 23° 27', а невосходящими - с d < - 23° 27'. Следовательно, на северном полярном круге Солнце не заходит в день летнего солнцестояния (в полночь центр Солнца только касается горизонта в точке севера N) и не восходит в день зимнего солнцестояния (в полдень центр солнечного диска только коснется горизонта в точке юга S, а затем снова опустится под горизонт). В остальные дни года Солнце на этой широте восходит и заходит. При этом максимальной высоты в полдень оно достигает в день летнего солнцестояния (h_max = + 46° 54'), а в день зимнего солнцестояния его полуденная высота минимальна (h_min = 0°). На южном полярном круге (j = - 66° 33') Солнце не заходит в день зимнего солнцестояния и не восходит в день летнего солнцестояния.

Северный и южный полярные круги являются теоретическими границами тех географических широт, где возможны полярные дни и ночи (дни и ночи, длящиеся больше 24 часов).

В местах, лежащих за полярными кругами, Солнце бывает незаходящим или невосходящим светилом тем дольше, чем ближе место к географическим полюсам. По мере приближения к полюсам продолжительность полярных дня и ночи увеличивается.

в) Для наблюдателя на северном тропике (j--= + 23° 27') Солнце всегда является восходящим и заходящим светилом. В день летнего солнцестояния оно в полдень достигает максимальной высоты h_max = + 90°, т.е. проходит через зенит. В остальные дни года Солнце в полдень кульминирует к югу от зенита. В день зимнего солнцестояния его минимальная полуденная высота h_min = + 43° 06'.

На южном тропике (j = - 23° 27') Солнце также всегда восходит и заходит. Но на максимальной полуденной высоте над горизонтом (+ 90°) оно бывает в день зимнего солнцестояния, а на минимальной (+ 43° 06') - в день летнего солнцестояния. В остальные дни года Солнце в полдень кульминирует здесь к северу от зенита.

В местах, лежащих между тропиками и полярными кругами, Солнце восходит и заходит каждый день года. Полгода здесь продолжительность дня больше продолжительности ночи, а полгода - ночь продолжительнее дня. Полуденная высота Солнца здесь всегда меньше 90° (кроме тропиков) и больше 0° (кроме полярных кругов).

В местах, лежащих между тропиками, Солнце бывает в зените два раза в году, в те дни, когда его склонение равно географической широте места.

г) Для наблюдателя на экваторе Земли (j--= 0) все светила, в том числе и Солнце, являются восходящими и заходящими. При этом 12 часов они находятся над горизонтом, a 12 часов - под горизонтом. Следовательно, на экваторе продолжительность дня всегда равна продолжительности ночи. Два раза в году Солнце в полдень проходит в зените (21 марта и 23 сентября).

С 21 марта по 23 сентября Солнце на экваторе кульминирует в полдень к северу от зенита, а с 23 сентября по 21 марта - к югу от зенита. Минимальная полуденная высота Солнца здесь будет равна h_min = 90° - 23° 27' = 66° 33' (22 июня и 22 декабря).[2]

2.5 Пояса освещения

Солнце - источник света и тепла на Земле. Земля находится в космосе, где царит холод, и Солнце дает необходимую ей энергию. Без солнечного тепла и света не было бы жизни на Земле, не могли бы развиваться живые организмы: бактерии, растения, животные, люди. Но, Солнце освещает Землю не сразу со всех сторон, а «по очереди», в связи с этим мы рассмотрим пояса освещения.

Около 40% поверхности Земли занимает лежащий между тропиками жаркий пояс. День и ночь здесь мало отличаются по продолжительности, а солнце бывает в зените дважды в году.

52% территории Земного шара приходится на расположенные между тропиками и полярными кругами умеренные пояса, где солнце никогда не бывает в зените. Продолжительность дня и ночи зависит от широты и времени года. Около полярных кругов (с 60° до 66,5°) летом Солнце ненадолго и неглубоко уходит за горизонт, вечерняя и утренняя зори сливаются, и наблюдаются так называемые белые ночи.

Холодные (полярные) пояса занимают всего 8% земной поверхности к северу и югу от полярных кругов. Зимой здесь наблюдаются полярные ночи, когда Солнце не показывается из-за горизонта, а летом - полярные дни, когда Солнце не заходит за горизонт. Продолжительность их увеличивается от одних суток - на полярных кругах, до полугода - на полюсах.

Пояса освещенности - части поверхности Земли, ограниченные тропиками и полярными кругами и различающиеся по условиям освещенности.

Два тропика и два полярных круга делят Землю на пять поясов освещенности: тропический (между северным и южным тропиком), два умеренных (в каждом полушарии, между тропиком и полярным кругом) и два полярных (в каждом полушарии между полярным кругом и полюсом). Наклон оси вращения Земли к плоскости орбиты и её движение вокруг Солнца, что и приводит к формированию на Земле пяти поясов освещения (рис. 11).

Рис.11: Пояса освещения

Чем они отличаются друг от друга?

Два полярных пояса освещенности характеризуются наличием здесь природных явлений полярного дня и полярной ночи. На полярных кругах они равны суткам (в дни солнцестояний и на полюсах продолжаются полгода). Полярный день продолжается на Северном полюсе со дня весеннего до дня осеннего равноденствия, на южном со дня осеннего до дня весеннего равноденствия. Максимальная высота Солнца над горизонтом на полюсах в дни солнцестояний составляет 23033'. Чем выше широта в полярных поясах, тем более длинными будут полярный день и полярная ночь.

В тропическом поясе освещенности существует природное явление «Солнце в полдень в зените». На тропиках это бывает один раз в год (в дни солнцестояний), тогда как на любой широте между тропиками 2 раза в год, на экваторе это дни весеннего и осеннего равноденствия. Явление «Солнце в полдень в зените» происходит как качание маятника между тропиками: полгода от тропика северного до тропика южного, а затем полгода от тропика южного до тропика северного, таким образом, в течение года на всех широтах между тропиками это явление наблюдается дважды.

Линия света и тени всегда делит экватор на 2 одинаковых части, только здесь день и ночь всегда равны 12 часам, на всех других широтах они меняются в зависимости от сезона года. На тропиках минимальные значения составляют 10 часов 30 минут, максимальные - 13 часов 30 минут. В тропическом поясе Солнце всегда уходит за горизонт под углом, близким к прямому, поэтому быстро наступает темнота.

Два умеренных пояса освещенности характеризуются тем, что в течение года здесь на любой широте каждые сутки есть светлое и темное время и Солнце никогда не бывает в зените.

Чем выше широта, тем меньше угол, под которым Солнце уходит за горизонт, поэтому на высоких широтах долго не наступает темнота и рано занимается утро. В северном полушарии в июне-июле, а в южном - в декабре-январе на умеренных широтах близких полярным кругам наблюдается явление «белые ночи», например, в Санкт-Петербурге на 60° с.ш.

Наличие на Земле поясов освещенности является вторым важным географическим следствием вращения Земли вокруг Солнца, а причиной здесь также является наклон земной оси к плоскости орбиты вращения Земли вокруг Солнца.

На основании предыдущего можно сформулировать следующие астрономические признаки тепловых поясов:

1. В холодных поясах (от j = ± 66° 33' до j = ± 90°) Солнце может быть незаходящим и невосходящим светилом. Полярный день и полярная ночь могут длиться от 24 часов до полугода.

2. В умеренных поясах (от j = ± 23° 27' до j = ± 66° 33') Солнце каждый день восходит и заходит, но никогда не бывает в зените. Полярных дней и ночей здесь никогда не бывает. Продолжительность дня и ночи короче 24 часов. Летом день длиннее ночи, а зимой - наоборот.

3. В жарком поясе (от j = + 23° 27' до j = - 23° 27') Солнце также всегда восходящее и заходящее светило и два раза и голу (на тропиках один раз) в полдень бывает в зените (и разных местах - в разные дни года, а на экваторе - в день весеннего и в день осеннего равноденствий).[5]

Глава 3. Географические следствия осевого и орбитального вращения земли

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. К маятнику Фуко

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. Обращение Земли вокруг Солнца

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. Изменение экваториальных координат Солнца в течение года

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

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:

Заключение

1. Причиной вращения планет вокруг своей оси является внешний источник энергии - Солнце.

2. Механизм вращения следующий:

o Солнце нагревает газообразную и жидкую фазы планет (атмосфера и гидросфера).

o В результате неравномерности нагрева возникают `воздушные' и `морские' течения, которые посредством взаимодействия с твердой фазой планеты начинают ее раскручивать в ту или иную сторону.

o Конфигурация твердой фазы планеты, как лопатки турбины, определяет направление и скорость вращения.

3. Если твердая фаза не достаточно монолитна и тверда, то происходит ее перемещение (дрейф континентов).

4. Перемещение твердой фазы (дрейф континентов) может привести к ускорению или замедлению вращения вплоть до перемены направления вращения и т.д. Возможны колебательные и прочие эффекты.

5. В свою очередь, аналогично перемещаемая твердая верхняя фаза (земная кора) взаимодействует с нижележащими более стабильными в смысле вращения слоями Земли. На границе контакта выделяется большое количество энергии в виде тепла. Это тепловая энергия, по-видимому, и является одной из основных причин нагрева Земли. И эта граница является одним из районов, где происходит образование горных пород и минералов.

6. Все эти ускорения и замедления имеют долговременное действие (климат), и кратковременное действие (погода), и не только метеорологическое, но и геологическое, биологическое, генетическое.

Список используемых источников

1. И.В. Галузо, В.А. Голубев, А.А. Шимбалев, Учебник по «Астрономии», 11 класс, 2003

2. Т.М. Савцова, Общее землеведение, изд.3, 2007

3. Куликов К.А., Курс сферической астрономии, изд. 2-е, “Наука”, 1969.

4. Рябов Ю.А., Движения небесных тел, изд. 2-е, Физматгиз, 1962

5. Селезнев А.Н. Учебное пособие по курсу «Общая социально-экономическая география»

6. http://crydee.sai.msu.ru/ak4/Table_of_Content.htm

Размещено на Allbest.ru