Осьове та орбітальне обертання землі. Орбітальне обертання землі

Земна вісь нахиленадо неї під кутом 66,5 °і переміщається у просторі паралельно до самої себе протягом року. Тому висвітлюється то північна, то південна полярні області Землі, що призводить до зміні пір рокуі нерівності дня та ночі протягом року на всіх широтах, крім екватора. Зі зміною пір року пов'язана сезонна ритміка природи. Ми можемо спостерігати її в коливаннях температури, вологості повітря та інших метеорологічних елементів, у режимі випадання опадів та коливання рівнів водойм. Всі ці зміни призводять до змін у житті рослин, тварин та людини.

Початком астрономічної весни та осені вважаються дні весняного та осіннього рівнодень(Коли сонячні промені під кутом 90° падають на екватор і стосуються полюсів – 21 березня та 23 вересня). А початком літа та зими – дні відповідних сонцестоянь (коли висота Сонця над горизонтом опівдні найбільша – 22 червня та 22 грудня).

В день зимового сонцестояння- 22 грудняземна вісь південним кінцем звернена до Сонця, і сонячні промені опівдні прямовисно падають на 23,5° паралель південної широти - так званий південний тропік (тропік Козерога). На всіх паралелях на південь від екватора до 66,5° пд. ш. день довший за ніч. Починаючи з південного полярного кола сонце не заходить за обрій - встановлюється полярний день. За північним полярним колом усе занурено у темряву - панує полярна ніч.

Нахил осі обертання Землі до площини орбіти та її рух навколо Сонця призводять до формування Землі п'яти поясів освітлення, які є основою зональної диференціації географічної оболонки. Вони відрізняються висотою південного стояння Сонця над горизонтом, тривалістю дня і відповідно тепловими умовами та обмежені тропіками та полярними колами.

Близько 40 % поверхні Землі займає між тропікамижаркий пояс. День і ніч тут мало відрізняються за тривалістю, а сонце буває в зеніті двічі на рік.

52% території Земної куліприпадає на розташовані між тропіками та полярними коламипомірні поясиде сонце ніколи не буває в зеніті. Тривалість дня і ночі залежить від широти та пори року. Біля полярних кіл (з 60 ° до 66,5 °) влітку Сонце ненадовго і неглибоко йде за горизонт, вечірня та ранкова зорі зливаються і спостерігаються, так звані білі ночі.

Холодні поясизаймають лише 8 % земної поверхніна північ і південь від полярних кіл. Взимку тут спостерігаються полярні ночі, коли Сонце не показується через обрій, а влітку - полярні дні, коли Сонце не заходить за горизонт. Тривалість їх збільшується від однієї доби - на полярних колах до півроку - на полюсах.

Повертаючись у космічному просторі подібно до дзиги. Земля одночасно огинає Сонце та бере участь, як і інші планети Сонячної системи, у другому найважливішому виді руху – зверненні по орбіті навколо Сонця.

Земля рухається своєю орбітою навколо Сонця із середньою швидкістю 30 кілометрів на секунду. Один оберт навколо Сонця вона здійснює за один рік - відрізок часу тривалістю 365 діб 6 годин 9 хвилин 9 секунд. Для зручності рік вважають рівним 365 діб. При цьому кожен четвертий рік набуває 366-го дня (29 лютого) і стає високосним.

Через нахилу земної осі до площини орбіти при орбітальному русі Сонце висвітлює більше Північна, то Південна півкуля планети. Нерівномірність освітлення та нагрівання земної поверхні викликає зміну сезонів року. Орбітальний рухвизначає і зміна тривалості світлового дня – часу між сходом та заходом сонця.

22 червня Земля звернена до Сонця Північним полюсом. Воно висвітлюється більше, ніж Південна півкуля, і отримує більше тепла. Сонячні промені опівдні падають під прямим кутом до земної поверхні паралель 23 1/2° з. ш. Таке положення Сонця називають зенітальним (Сонце знаходиться у зеніті). День 22 червня називають днем літнього сонцестояння.

У Північній півкулі цього дня настає астрономічне літо, а у Південному - астрономічна зима. У Північній півкулі день довший за ніч, а на північ від 66 1/2° пн.ш. поверхня освітлена Сонцем цілодобово, тому тут полярний день. В Південній півкулітериторія від 66 1/2 ° пд.ш. до Південного полюса не освітлена зовсім, тому що сонце не піднімається над . Тут полярна ніч.

22 грудня Земля звернена до Сонця Південним полюсом. Південна півкуля висвітлюється більше, ніж Північна, і отримує більше тепла. Сонце опівдні стоїть у зеніті над паралеллю 23 1/2° пд. ш. У народі цей день називався Днем зимового сонцестояння. У Південній півкулі настає астрономічне літо, а у Північній – астрономічна зима. У Південній півкулі день довший за ніч, а на південь 66 1/2° пд.ш. поверхня освітлена Сонцем цілодобово (полярний день). У Північній півкулі на північ від 66 1/2 ° пн.ш. поверхня не освітлена та починається полярна ніч.

21 березня та 23 вересня Сонце опівдні у зеніті над екватором. Тривалість дня по всій планеті дорівнює тривалості ночі. Тому ці дні називають днями весняного і осіннього рівнодення. З них починаються астрономічні весна та осінь.

Тропіки та полярні круги. Пояси освітленості.

Земну поверхню поділяють на п'ять поясів освітленості: жаркий, два помірні і два холодні. Межами між ними служать тропіки та полярні кола. Північний і Південний тропіки - це паралелі 23 1/2 ° пн. ш. і 23 1/2° пд.ш., на кожній з яких Сонце буває в зеніті по один раз на рік - 22 червня та 22 грудня. Північний та Південний полярні кола це паралелі 66 1/2° пн.ш. та 66 1/2° пд.ш., на яких протягом однієї доби на рік (22 червня та 22 грудня) бувають полярний день та полярна ніч.

У спекотному поясі освітленості Сонце завжди високо стоїть над горизонтом, а двічі на рік у будь-якій точці буває в зеніті. Тут цілий рік висока температураповітря.

В помірних поясахСонце ніколи не буває у зеніті. Але влітку кут падіння сонячних променів набагато більший, ніж узимку. Тож чітко виражена зміна сезонів року.

Холодні пояси відрізняються низькими температурамита наявністю полярних днів та ночей. Їхня тривалість збільшується від полярних кіл до полюсів від однієї доби до шести місяців.

Навколо Сонця Земля рухається еліптичною орбітою, в одному з фокусів якої розташоване Сонце. Швидкість орбітального руху дорівнює 29,765 км/с, період обігу - рік (365,26 середньої сонячної доби). Швидкість руху Землі орбітою тим вище, що менше радіус - вектор (відстань від Землі до Сонця). Відстань між Землею та Сонцем протягом року змінюється незначно: у перигелії воно зменшується до 147,117 млн км, в афелії збільшується до 152,083 млн км. У перигелії Земля буває на початку січня, отже, її рух по орбіті відбувається швидше, тому зимове півріччя у Північній півкулі коротше, ніж у Південному.

Земна вісь нахилена по відношенню до площини орбіти під кутом 66°33". У процесі руху вісь переміщається поступально, тому на орбіті виникають чотири характерні точки: два рівнодення і два сонцестояння. У дні рівнодення радіус-вектор знаходиться в площині екватора, а світлодільна Розрізняють весняне (21 березня) і осіннє рівнодення (23 вересня). дні сонцестояння площина екватора нахилена по відношенню до сонячного променя (і радіус-вектора орбіти) під кутом 23°27". Сонце в цей момент знаходиться у зеніті над одним із тропіків. Розрізняють літнє (22 червня) та зимове (22 грудня) сонцестояння.

З нахилом земної осі до площини орбіти пов'язана наявність таких характерних паралелей, як тропіки та полярні кола.

Кут нахилу земної осі до екліптики коливається в інтервалі 22 07 "-24 57"; в сучасну епоху (за визначенням 1900) він становить 23 ° 27 "08". Лінія перетину площини екватора з площиною екліптики, на якій лежать точки рівнодення, перемішається назустріч руху Землі по орбіті, завдяки чому тропічний рік коротший за сидеричний (сонячний). Земна вісь здійснює рухи в тілі Землі, описуючи конус. Час, за який земна вісь описує повний конус, називається прецесійним ритмом (25735 тропічних років). Від нахилу площини екватора до екліптики залежить надходження сонячної радіаціїна різні широти (чим більший кут, тим вище виразність сезонів).

Добове обертання Землівідбувається навколо осі, яка з гіроскопічного ефекту прагне зберегти постійне становище у просторі. Обертання Землі здійснюється рівномірно, проте швидкість обертання зазнає флуктуації. Відрізок часу між послідовними проходженнями площини меридіана даної точки через центр Сонця називають сонячною добою. Земля обертається проти годинникової стрілки, якщо дивитися з північного полюса (Сонце сходить на сході та заходить на заході). Вісь обертання, полюси та екватор є основою географічної системикоординат.

Географічні наслідки добового обертанняЗемлі:

- Зміна дня і ночі - Зміна протягом доби положення Сонця щодо площини горизонту даної точки;
- деформація фігури Землі - сплюснутість із полюсів (полярне стиснення), пов'язана зі зростанням відцентрової сили від полюсів до екватора;
- існування сили Коріоліса, що діє на ті, що рухаються (чим більше кутова швидкістьобертання Землі, тим більше сила Коріоліса);
- суперпозиція відцентрової сили та сили тяжіння, що дає силу тяжкості. Відцентрова сила зростає від нуля на полюсах до максимального значення на екваторі. Відповідно до зменшення відцентрової сили від екватора до полюса, сила тяжіння збільшується в тому ж напрямку і досягає максимуму на полюсі (де вона дорівнює силі тяжіння).

Рух системи Земля-Місяць. Місяць створює приливне гальмування добового обертання нашої планети, яке має велике географічне значення, якщо розглядати тривалі (у сотні мільйонів років) відрізки геологічного часу. Приливне гальмування, викликаючи уповільнення обертання, зменшує полярну сплюснутість Землі і силу Коріоліса, що відхиляє маси повітря і води, що рухаються, тобто. впливає на циркуляцію атмосфери та океаносфери, від чого у свою чергу залежать умови клімату. Вважають, що через уповільнення добового обертання Землі тривалість доби за останній 1 млрд. років зросла на 6 год. кутова швидкість приймається постійною.

Вважають, що взаємодія Землі та Місяця могла бути одним із можливих факторів первинного розігріву планети, за умови, що Місяць спочатку був суттєво ближчий до Землі – сайт. Якщо вважати, що відстань між Місяцем і Землею спочатку могла бути в 10 разів меншою за сучасну, то тоді приливна хвиля була б у 100 разів інтенсивніша. Оскільки приливна хвиля створює у тілі Землі та Світовому океані внутрішнє тертя, відбувається виділення енергії, якої цілком достатньо для розплавлення Землі.

Земля робить повний обіг по еліптичній орбіті навколо Сонця за 365,24 сонячної доби. У ході цього руху Сонце проходить видимий шлях по небосхилу серед зірок через зодіакальні сузір'я, здійснюючи повне коло за рік. Площина орбіти називаєтьсяплощиною екліптики .

Земна вісь нахиленадо неї під кутом 66,5 °і переміщається у просторі паралельно до самої себе протягом року. Тому висвітлюється то північна, то південна полярні області Землі, що призводить до зміні пір рокуі нерівності дня та ночі протягом року на всіх широтах, крім екватора. Зі зміною пір року пов'язана сезонна ритміка природи. Ми можемо спостерігати її в коливаннях температури, вологості повітря та інших метеорологічних елементів, у режимі випадання опадів та коливання рівнів водойм. Всі ці зміни призводять до змін у житті рослин, тварин та людини.

В день літнього сонцестояння- 22 червняземна вісь північним кінцем звернена до Сонця - сонячні промені опівдні прямовисно падають на 23,5° паралель північної широти - так званий північний тропік (тропік Рака). Всі паралелі на північ від екватора до 66,5 ° с. ш. більшу частину доби освітлені, на цих широтах день довший за ніч. Паралель 66,5 ° пн. ш. є кордоном, з якого починається полярний день- це північне полярне коло. Цього ж дня на всіх паралелях на південь від екватора до 66,5° пд. ш. день коротший за ніч. На південь від 66,5° пд. ш. - територія на освітлена зовсім - там Полярна ніч. Паралель 66,5 ю. ш. - південне полярне коло.

В день зимового сонцестояння- 22 грудняземна вісь південним кінцем звернена до Сонця, і сонячні промені опівдні прямовисно падають на 23,5° паралель південної широти - так званий південний тропік (тропік Козерога). На всіх паралелях на південь від екватора до 66,5° пд. ш. день довший за ніч. Починаючи з південного полярного кола сонце не заходить за обрій - встановлюється полярний день. За північним полярним колом усе занурено у темряву - панує полярна ніч.

Нахил осі обертання Землі до площини орбіти та її рух навколо Сонця призводять до формування Землі п'яти поясів освітлення, що є основою зональної диференціації географічної оболонки Вони відрізняються висотою південного стояння Сонця над горизонтом, тривалістю дня і відповідно тепловими умовами та обмежені тропіками та полярними колами.

Близько 40 % поверхні Землі займає між тропікамижаркий пояс. День і ніч тут мало відрізняються за тривалістю, а сонце буває в зеніті двічі на рік.

52% території Земної кулі припадає на розташовані між тропіками та полярними коламипомірні поясиде сонце ніколи не буває в зеніті. Тривалість дня і ночі залежить від широти та пори року. Біля полярних кіл (з 60 ° до 66,5 °) влітку Сонце ненадовго і неглибоко йде за горизонт, вечірня та ранкова зорі зливаються і спостерігаються, так звані білі ночі.

Холодні поясизаймають лише 8 % земної поверхні на північ і південь від полярних кіл. Взимку тут спостерігаються полярні ночі, коли Сонце не показується через обрій, а влітку - полярні дні, коли Сонце не заходить за обрій. Тривалість їх збільшується від однієї доби - на полярних колах до півроку - на полюсах.

Орбітальний рух Землі

У 2 столітті видатний олександрійський астроном, географ і оптик Клавдій Птолемей (90-160) у своїй головній праці «Альмагест» висловив припущення про центральному положенніЗемлі у Всесвіті (геоцентрична система світу). Час, що пішов за Птолемеєм, не був сприятливим для подальшого розвитку знань про будову світу.

У 9-11 ст. Значні дослідження було виконано арабськими вченими. Філософ, астроном та геодезист Біруні (Абу Рейхан аль Біруні, 973-1048) із Туркестану першим на Середньому Сході припустив, що Земля рухається навколо Сонця.

І лише на початку 16 століття Коперник довів, що видимий добовий рух усіх небесних світил пояснюється обертанням самої Землі навколо своєї осі, а річний рух Сонця і дуже складні орбіти планет - круговими рухами останніх і самої Землі навколо нерухомого Сонця. Постійна площина, у якій рухається Земля навколо Сонця, дістала назву екліптики (від грецької – затемнення).

Хоча основні положення Коперника, що сама Земля обертається навколо осі і рухається навколо Сонця, були чисто умоглядними і не могли бути доведені в той час жодними фактами, проте і простоти всього світогляду, яка випливала з них, вже було достатньо, щоб переконання у їхній істинності стало поступово зміцнюватися.

Данський астроном Тихо Браге (1546-1601) виходячи з власних спостережень світил і зірок відкинув систему Коперника і запропонував свою власну, через яку всі планети також рухалися навколо Сонця, але разом із усіма планетами рухається навколо нерухомої Землі. Продовжити обробляти свій найбагатший спостережний матеріал він заповів молодому німецькому математику Кеплеру (1571-1630).

Приступаючи до своїх досліджень руху планет на основі спостережень Тихо Браге, Кеплер припускав, що всі вони, у тому числі і Земля, рухаються щодо нерухомого Сонця за деякими плоскими замкнутими кривими.

1. Орбіта будь-якої планети є еліпс, в одному з фокусів якого знаходиться Сонце.

2. Площа еліптичного сектора, що описується радіусом вектором планети, зростає пропорційно до часу.

Пройнятий ідеєю повної гармонії у природі, він намагався помітити подібність середніх відстаней різних планет від Сонця спочатку з гармонійними відносинами основних музичних тонів, потім – з радіусами сфер, описаних близько п'яти правильних багатокутників, у яких вписаних. Але з цього нічого не виходило. Порівнюючи ж півосі орбіт планет із тривалістю повних оборотівпланет, Кеплер відкрив третій закон руху планет, опублікований в 1619 р.:

3. Квадрати тривалостей оборотів планет пропорційні

кубам їхніх середніх відстаней від Сонця.

Всі три закони Кеплера виявляються точними і для комет, що належать до Сонячної системиі тих, що рухаються по дуже розтягнутих еліптичних орбітах.

Але наука було задовольнятися емпіричними законами, відкритими Кеплером. Потрібно було пояснити ці закони, знайти причину, чому планети рухаються саме так, а не

Рис.1.17. Рух Землі навколо Сонця

інакше. І це зробив великий Ньютон, який доказав, що сила, що зумовлює рух

кожної планети навколо Сонця за законами Кеплера, прямо пропорційна масам обох цих тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Земля обертається навколо Сонця (рис.1.17) еліптичною орбітою із середньою швидкістю 29,765км/с. Разом із Сонцем Земля бере участь у русі навколо центру Галактики із середньою швидкістю 300 км/с, здійснюючи

один оборот за 200-230 млн. Років. Цей період називається галактичним роком.

Орбітальна швидкість Землі коливається від 29,27 км/с в афелії з відривом 152,1 млн. км від Сонця до 30,27 км/с в перигелії з відривом 147,1 млн. км від Сонця. Період повного обертання Землі навколо центрального світила (щодо зірок) становить 365 діб 6 годин 9 хвилин 10 секунд (365,25636 середньої сонячної доби). Цей період називають зоряним або сидеричним роком. Період обігу, що обчислюється в сонячній добі (365,2422 сонячної доби), називається тропічним роком. Тропічний рік містить 366,2422 зіркових діб. Довжина тропічного року в 365, 2422 середньої сонячної доби залишатиметься такою ж приблизно до 2700 року.

Зоряна доба становить 365,2422/366,2422=0,997270 середньої сонячної доби. Ця величина - постійне співвідношення зоряного та сонячного часу. Якби екліптика збігалася з небесним екватором, то день і ніч завжди були б рівними за часом. Але оскільки Сонце лише двічі на рік перетинає небесний екватор, то лише у ці дві доби день дорівнює ночі. До того ж між цими двома точками Сонце рухається екліптикою нерівномірно. Від точки весняного рівнодення (21 березня) до точки осіннього рівнодення (23 вересня) Сонце проходить за 186 діб, а від точки осіннього рівнодення до точки весняного рівнодення за 179 діб.

У єгиптян громадянський рік містив у собі рівно 365 днів і поділявся на 12 місяців по 30 днів. Інші 5 днів просто додавалися наприкінці року. Отже, кожен рік у них починався на ¼ доби раніше попереднього і міг знову співпадати з тропічним через 1460 років.

Римляни підрозділяли громадянський рік на 12 місяців: martius, aprilis, maius, junius, quintilis, sextilis, september, october, november, а december, januarius, februarius. Не знаючи справжньої тривалості тропічного року, вони почали дуже часто і цілком довільно змінювати число днів на місяцях, щоб погодити свій рік із сонячним. Це призвело до їхнього числення часу або календаря (від слова «календи», якими називалися перші дні кожного місяця) до такого безладу, що Юлій Цезар (100-44рр. до н.е.) вирішив зробити в ній корінну реформу.

Покликаний з цією метою з Олександрії астроном Созіген, взявши в основу літочислення тривалість тропічного року в 365,25 днів, встановив рахувати в трьох наступних один за одним простих роках по 365 днів, а в четвертому високосному (від слова «bissextus» - двічі шість ) - 366 днів. Це літочислення з тими ж назвами місяців, за винятком п'ятого і шостого, які були перейменовані в липень і серпень, і з тим самим числом днів у них, яке є нині, було прийнято в 325 році н.е. на Нікейському всесвіті соборі та християнській церкві.

Різниця в 0,0078 діб між істинною тривалістю тропічного року (365,2422) та Юліанського цивільного (362,25) поступово накопичувалася і через 128 років становила цілу добу. Внаслідок цього весняне рівнодення, яке припадало на 21 березня в епоху Нікейського собору, у 16 столітті стало припадати на 10 днів раніше, тобто. на 11 березня.

Це виявилося незручним для церковного літочислення. За правилами християнської церкви свято Великодня має наступати першу неділю після першого весняного повня, тобто. першого повня після дня весняного рівнодення. У 1582 році папа Григорій XIII (1502-1585) виправив це, а щоб весняне рівнодення і в майбутньому доводилося завжди близько 21 березня, ухвалив вважати ті круглі в сотнях роки, які не діляться без залишку на 400 (1700, 1800, 1900, і т.д.) - простими, що діляться на 400 (1600, 2000 і т.д.) - високосними.

Григоріанське літочислення прийнято називати новим стилем. Середня тривалість Григоріанського громадянського року дорівнює 365,2425 середньої сонячної доби і відрізняється від тривалості тропічного року на малу величину. Це літочислення було прийнято як обов'язкове спочатку католицькими, а потім і всіма європейськими державами, крім Росії, Греції, Сербії та Болгарії, які жили деякий час за старим стилем, тобто. Юліанському літочисленню, яке встигло відстати на 13 днів. У 1918р. Росія перейшла на Григоріанське літочислення і 1 лютого стали рахувати 14 лютого 1918р. Ця різниця у 13 діб зберігатиметься до 28 лютого 2100р. за новим стилем. Після цієї дати воно стане рівним 14 діб.

За своєю точністю Григоріанський календар відповідає найсуворішим вимогам сучасності. Помилка однієї доби накопичується в ньому приблизно лише за 3300 років.

Зауважимо, що ще з давніх часів зберігся семиденний період або тиждень, який виходить із звичаю називати дні за іменами Сонця, Місяця, Марса, Меркурія, Юпітера, Венери та Сатурна. Різні рокита місяці починаються з різних днів. Це пояснюється тим, що простий рік містить 52 тижнів плюс 1 день, а високосний – 52 тижнів плюс 2 дні. Але оскільки ціла кількість днів міститься в 4-х Юліанських роках, то тільки через 28 років усі числа місяців повторяться в колишні дні тижня. Цей 28-річний період називається циклом чи колом Сонця.

Історичні дослідження календарів стародавніх слов'ян 2-4 століть н.е. підтверджують, що вчені Київської Русі досить повно знали закономірності руху Сонця, Землі та Місяця, точно визначали довжину сонячного та місячного року, їх взаємозв'язок, знали найдавніший семиденний тиждень та високосні роки.

Рис.1.18. Річний рухСонця за 12 сузір'ями Зодіаку

(Рух Сонця показаний стрілкою)

Орбіта Землі близька до кругової. Її ексцентриситет є = 0,017. У перигелії Земля буває 2-5 січня, афелії 1-5 липня. Справжнє річне звернення Землі навколо Сонця щодо нерухомого хмарочоса призводить до того, що спостерігач Землі бачить Сонце і натомість різних сузір'їв. Пояс на небесній сфері, вздовж якого здійснюється видимий річний рух Сонця, називається поясом Зодіаку, а лінія видимого річного шляху Сонця називається екліптикою. Екліптика лежить у площині, що проходить через центр Землі. «Зодіак» по-грецьки означає «звіряче коло». До нього входять 12 зодіакальних сузір'їв. У давнину всі зодіакальні сузір'я мали назви тварин: Овен, Телець, Близнюки, Рак, Лев, Діва, Терези, Скорпіон, Стрілець, Козеріг, Водолій, Риби (рис.1.18).