Видимое движение небесного свода. Известно, что небесные светила находятся на самых различных расстояниях от земного шара. В то же время нам кажется, что расстояния до светил одинаковы и все они связаны с одной сферической поверхностью, которую мы называем небесным сводом, а астрономы называют видимой небесной сферой. Кажется нам так потому, что расстояния до небесных светил очень велики, и наш глаз не в состоянии заметить разницу этих расстояний. Каждый наблюдатель легко может заметить, что видимая небесная сфера со всеми расположенными на ней светилами медленно вращается. Это явление было хорошо известно людям с глубокой древности, и кажущееся движение Солнца, планет и звезд вокруг Земли они принимали за действительное. В настоящее время мы знаем, что движутся не Солнце и не звезды вокруг Земли, а вращается земной шар.
Точные наблюдения показали, что полный оборот Земли вокруг своей оси совершается в 23 часа 56 мин. и 4 сек. Время полного оборота Земли вокруг оси мы принимаем за сутки и для простоты в сутках считаем 24 часа.
Доказательства вращения Земли вокруг своей оси. В настоящее время мы располагаем целым рядом весьма убедительных доказательств вращения Земли. Остановимся прежде всего на доказательствах, вытекающих из физики.
Опыт Фуко. В Ленинграде, в бывшем Исаакиевском соборе, подвешен маятник, имеющий 98 м длины, с грузом в 50 кг. Под маятником расположен большой круг, разделенный на градусы. При спокойном положении маятника груз его находится как раз в центре круга. Если отвести груз маятника к нулевому градусу круга, а потом пустить его, то маятник будет качаться в плоскости меридиана, т. е. с севера на юг. Однако уже через 15 минут плоскость качания маятника отклонится примерно на 4°, через час на 15° и т. д. Из физики известно, что плоскость качания маятника отклониться не может. Следовательно, изменилось положение градуированного круга, что могло произойти только в результате суточного движения Земли.
Чтобы яснее представить себе суть дела, обратимся к чертежу (рис. 13, а), на котором изображено северное полушарие в полярной проекции
Меридианы, отходящие от полюса, намечены пунктиром. Маленькие кружки на меридианах - это условное изображение градуированного круга под маятником Исаакиевского собора. При первом положении (АВ) плоскость качаания маятника (обозначенная сплошной линией в кружочке) полностью совпадает с плоскостью данного меридиана. Через некоторое время меридиан АВ благодаря вращению Земли с запада на восток окажется в положении А 1 В 1 . Плоскость же качания маятника остается прежней, в силу чего и получается угол между плоскостью качания маятника и плоскостью меридиана. При дальнейшем вращении Земли меридиан АВ окажется в положении А 2 В 2 и т. д. Ясно, что плоскость качания маятника еще больше отклонится от плоскости меридиана АВ. При неподвижности Земли подобного расхождения получиться бы не могло, и маятник от начала до конца качался бы в направлении меридиана.
Подобный опыт (в меньших размерах) впервые был произведен в Париже в 1851 г. физиком Фуко, отчего и получил свое название.
Опыт с отклонением падающих тел к востоку. Согласно законам физики груз должен падать с высоты по отвесной линии. Однако при всех производимых опытах падающее тело неизменно отклонялось к востоку. Отклонение происходит потому, что при вращении Земли скорость движения тела с запада на восток на высоте больше, чем на уровне земной поверхности. Последнее легко можно понять по приложенному чертежу (рис. 13, б). Точка, находящаяся на земной поверхности, движется вместе с Землей с запада на восток и за определенный период времени проходит путь ВВ 1 . Точка же, находящаяся на некоторой высоте, за этот же период времени проделывает путь АА 1 . Тело, брошенное из точки А, движется на высоте быстрее, чем точка В, и за то время, пока тело падает, точка А переместится в точку А 1 а тело, имеющее большую скорость, упадет восточнее точки В 1 . Согласно проведенным опытам тело при падении с высоты 85 м отклонялось от отвесной линии к востоку на 1,04 мм, а при падении с высоты 158,5 м - на 2,75 см.
На вращение Земли указывают также сплюснутость земного шара у полюсов, отклонение ветров и течений в северном полушарии вправо, а вюжном - влево, о чем подробнее будет сказано дальше.
Вращение Земли делает нам понятным, почему полярная сплюснутость Земли не вызывает перемещения водных масс океанов от экватора к полюсам, т. е. в положение, наиболее близкое к центру Земли (центробежная сила удерживает эти воды от перемещения к полюсам), и т. д.
Географическое значение суточного враще ния Земли. Первым следствием вращения Земли вокруг своей оси является смена дня и ночи. Эта смена довольно быстрая, что очень важно для развития жизни на Земле. Вследствие краткости дня и ночи Земля не может ни перегреться, ни переохладиться до таких пределов, при которых жизнь была бы убита либо чрезмерным жаром, либо чрезмерным холодом.
Смена дня и ночи обусловливает ритмичность многих процессов на Земле, связанных с приходом и расходом тепла.
Вторым следствием вращения Земли вокруг своей оси является отклонение всякого движущегося тела от своего первоначального направления в северном полушарии вправо, а в южном влево, что имеет огромное значение в жизни Земли. Сложное математическое доказательство этого закона мы здесь привести не можем, но постараемся дать некоторое, правда очень упрощенное, пояснение.
Предположим, что тело получило прямолинейное движение от экватора к Северному полюсу. Если бы Земля не вращалась вокруг оси, то движущееся тело в. конце концов оказалось бы на полюсе. Однако на Земле этого не случается потому, что тело, находясь на экваторе, движется вместе с Землей с запада на восток (рис. 14, а). Двигаясь к полюсу, тело переходит в более
высокие широты, где каждая точка земной поверхности движется с запада на восток медленнее, чем на экваторе. Движущееся же к полюсу тело согласно закону инерции сохраняет ту скорость движения с запада на восток, которую оно имело на экваторе. В результате путь тела все время будет отклоняться от направления меридиана вправо. Нетрудно понять, что в южном полушарии при тех же условиях движения путь тела отклонится влево (рис. 14,6).
Полюсы, экватор, параллели и меридианы. Благодаря тому же вращению Земли вокруг оси мы имеем на Земле две замечательные точки, которые носят название полюсов. Полюсы - это единственные неподвижные точки земной поверхности. Опираясь на полюсы, мы определяем место экватора, проводим параллели и меридианы и создаем систему координат, которые позволяют нам определить положение любой точки на поверхности земного шара. Последнее в свою очередь дает нам возможность наносить все географические объекты на карты.
Круг, образованный плоскостью, перпендикулярной к земной оси, и делящий земной шар на два равных полушария, носит название экватора. Окружность, образованная пересечением плоскости экватора с поверхностью земного шара, называется линией экватора. Но в разговорной речи и географической литературе линия экватора нередко для краткости называется просто экватором.
Земной шар может быть мысленно пересечен плоскостями, параллельными экватору. При этом получаются круги, которые носят название параллелей. Понятно, что размеры параллелей для одного и того же полушария неодинаковы: они уменьшаются по мере удаления от экватора. Направление параллели на земной поверхности является точным направлением с востока на запад.
Земной шар можно мысленно рассечь плоскостями, проходящими через земную ось. Эти плоскости носят название плоскостей меридианов. Круги, образованные пересечением плоскостей меридианов с поверхностью земного шара, называются меридианами. Всякий меридиан неизбежно проходит через оба полюса. Иначе говоря, меридиан всюду имеет точное направление с севера на юг. Направление меридиана в любой точке земной поверхности наиболее просто определяется направлением полуденной тени, почему меридиан называется еще полуденной линией (лат. rneridlanus , что значит полуденный).
Широта и долгота. Расстояние от экватора до каждого из полюсов составляет четверть окружности, т. е. 90°. Счет градусов ведется по линии меридиана от экватора (0°) к полюсам (90°). Расстояние от экватора до Северного полюса, выраженное в градусах, называют северной широтой, а до Южного полюса - южной широтой. Вместо слова широта для краткости нередко пишут знак φ (греческая буква «фи», северная широта со знаком +, южная со знаком -), так, например, φ = + 35°40".
При определении градусного расстояния на восток или на запад счет ведется от одного из меридианов, который условно принято считать нулевым. По международному соглашению нулевым меридианом считают меридиан Гринвичской обсерватории, расположенной в предместье Лондона. Градусное расстояние на восток (от 0 до 180°) называют восточной долготой, а на запад - западной долготой. Вместо слова долгота нередко пишут знак λ (греческая буква «ламбда», восточная долгота со знаком +, а западная со знаком-),так, например, λ= -24°30 / . Пользуясь широтой и долготой, мы имеем возможность определять положение любой точки на земной поверхности.
Определение широты на Земле. Определение широты места на Земле сводится к определению высоты полюса мира над горизонтом, что легко можно видеть из чертежа (рис. 15). Проще всего в нашем полушарии это можно сделать при помощи Полярной звезды, которая расположена всего в 1 о 02" от полюса мира.
Наблюдатель, находящийся на Северном полюсе, видит Полярную звезду как раз над головой. Иначе говоря, угол, образованный лучом Полярной звезды и плоскостью горизонта, равен 90°, т. е. как раз соответствует широте данного места. Для наблюдателя, находящегося на экваторе, угол, образованный лучом Полярной звезды и плоскостью горизонта, должен равняться 0°, что опять отвечает широте места. При движении от экватора к полюсу этот угол будет возрастать от 0 до 90° и всегда будет соответствовать широте места (рис. 16).
Значительно труднее определять широту места по другим светилам. Здесь приходится сначала определить высоту светила над горизонтом (т. е. угол, образованный лучом этого светила и плоскостью горизонта), потом вычислить верхнюю и нижнюю кульминацию светила (положение его в 12 час. дня и 0 час. ночи) и взять арифметическое среднее между ними. Для вычислений подобного рода требуются особые довольно сложные таблицы.
Простейшим прибором для определения высоты светила над горизонтом является теодолит (рис. 17). На море в условиях качки употребляется более удобный прибор секстант (рис. 18).
Секстант состоит из рамы, являющейся сектором круга в 60°, т. е. составляющим 1/6 часть окружности (откуда и название от латинского sextans - шестая часть). На одной спице (рамы) укреплена небольшая зрительная труба. На другой спице - зеркальце А, половина которого покрыта амальгамой, а другая половина прозрачна. Второе зеркальце В прикреплено к алидаде, которая служит для отсчета углов градуированного лимба. Наблюдатель смотрит в зрительную трубу (точка О) и видит сквозь прозрачную часть зеркальца А горизонт Я. Двигая алидаду, он ловит на зеркальце А изображение светила S , отразившегося от зеркальца В. Из приложенного чертежа (рис. 18) видно, что угол SOH (определяющий высоту светила над горизонтом) равен двойному углу CBN .
Определение долготы на Земле. Известно, что на каждом меридиане существует свое, так называемое местное время, причем разница в 1° долготы соответствует 4 минутам разницы во времени. (Полный оборот Земли вокруг своей оси (на 360°) совершается в 24 часа, а поворот на 1° = 24 часам: 360°, или 1440 мин.: 360° = 4 мин.) Нетрудно видеть, что разница во времени двух пунктов легко позволяет вычислять разницу долгот. Например, если в данном пункте 13 час. 2 мин., а на нулевом меридиане 12 час, то разница во времени = 1 час. 2 мин., или 62 мин., а разница в градусах 62:4 = 15°30 / . Стало быть, долгота нашего пункта 15°30 / . Таким образом, принцип вычисления долгот очень прост. Что же касается методов точного определения долготы, то они представляют значительные трудности. Первая трудность - точное определение местного времени астрономическим путем. Вторая трудность - необходимость
иметь точные хронометры, В последнее время благодаря радио вторая трудность в значительной степени облегчается, но первая остается в силе.
Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365 дней 6 часов 9 минут и 9 секунд. 21 марта и 23 сентября наклон земной оси нейтрален по отношению к Солнцу(дни равноденствия).21 июня Земля занимает такое положение, при котором ее ось северным концом 22 декабря, в день зимнего солнцестояния, отвесные лучи падают на южный тропик, а северные полярные страны, начиная от Северного полярного круга, не освещаются. На Южном полярном круге и далее к полюсу Солнце круглые сутки находится выше линии горизонта. Так продолжается до дня весеннего равноденствия - 21 марта.
Пояса освещения
Всего насчитывается 13 поясов освещения. Экваториальный пояс располагается по обе стороны от экватора. день и ночь здесь почти всегда равны, сумерки очень короткие, смены времен года нет. Тропические пояса: продолжительность дня и ночи изменяется от 10,5 до 13, 5 часов; сумерки короткие, есть два сезона года, мало отличающиеся по температуре. Субтропические пояса: Продолжительность дня и ночи для крайних широт колеблется от 9 часов до 14 часов. Сумерки непродолжительные, часто выражены зима и лето, слабее выражены весна и осень. Умеренные пояса: Четко выражены все четыре времени года (весна, лето, осень, зима). Зима и лето приблизительно равны. Пояса летних ночей и коротких зимних дней: выражены все четыре времени года, зима длиннее лета. Субполярные пояса. Полярные пояса: времена года совпадают с днем и ночью.
Движение двойной планеты Земля-Луна и приливное трение
Всемирное тяготение уравновешивается всемирным отталкиванием. Суть тяготения (гравитации) заключается в том, что все тела притягиваются друг к другу пропорционально их массам и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Отталкивание – это центробежная сила, возникающая при вращении и обращении небесных тел. Земля и Луна взаимно притягиваются, но Луна не может упасть на Землю, т. к. она вращается вокруг Земли и тем самым стремится от нее уйти. Равновесие притяжения и отталкивания справедливо для центров планет. Однако оно не распространяется на отдельные точки поверхности Земли. Поэтому происходят приливы и отливы. Взаимодействующая двух сил – силы притяжения и центробежной силы – и есть приливообразующая сила. Лучше всего приливы выражены в Мировом океане.
АТМОСФЕРА
Атмосфера – газовая оболочка Земли. В настоящее время атмосфера состоит из следующих компонентов: Азот – 78, 08 %, Кислород – 20, 94 %, Аргон - 0, 93 %, Углекислый газ – 0, 03 %,Прочие газы – 0, 02 %. Атмосфера состоит из следующих слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. В географическую оболочку входят только тропосфера и нижняя часть стратосферы. Средняя мощность тропосферы составляет примерно 11 км. Над тропосферой располагается тропопауза, представляющая собой тонкий переходный слой мощность около одного километра. Над тропопаузой находится стратосфера. Стратосфера начинается на 8 км над полюсами и 16-18 км над экватором. Над нагретым слоем верхней атмосферы, после стратопаузы, т. е. выше 55 км, лежит мезосфера, простирающаяся до высоты 80 км. В ней температура вновь падает до – 90 0С. На высотах от 80 до 90 км находится мезопауза с постоянной температурой – около 1800 С. Над мезопаузой расположена термосфера, простирающаяся до 800 - 1 000 км. Выше 1 000 км начинается внешняя атмосфера, или экзосфера, простирающаяся до 2 000 – 3 000 км. Тропосферу и нижнюю стратосферу называют нижней атмосферой, а все более высокие слои – верхней атмосферой.
Солнечная радиация
Солнечная радиация – это вся совокупность солнечной материи и энергии, поступающей на Землю. Солнечная радиация несет свет и тепло. Интенсивность солнечной радиации необходимо измерять в первую очередь за пределами атмосферы, т. к. при прохождении через воздушную сферу она преобразуется и ослабевает. Интенсивность солнечной радиации выражается солнечной постоянной. Солнечная постоянная – это поток солнечной энергии за 1 минуту на площадь сечением в 1 см2, перпендикулярную солнечным лучам и расположенную вне атмосферы. Солнечная постоянная, вопреки своему названию, не остается постоянной. Она изменяется в связи с изменением расстояния от Солнца до Земли в процессе движения Земли по орбите. Как бы ни были малы эти колебания, они всегда сказываются на погоде и климате.
Земля участвует в нескольких видах движений : вокруг собственной оси, вместе с другими планетами Солнечной системы вокруг Солнца, вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики и др. Однако наиболее важным для природы Земли являются движения вокруг собственной оси и вокруг Солнца.
Движение Земли вокруг собственной оси называется осевым вращением. Оно осуществляется в направлении с запада на восток (против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса). Период осевого вращения равен приблизительно 24 часам (23 часа 56 минут 4 секунды), то есть земным суткам. Поэтому осевое движение называется суточным .
Осевое движение Земли имеет как минимум четыре основных следствия : фигура Земли; смена дня и ночи; возникновение силы Кориолиса; возникновение приливов и отливов.
Вследствие осевого вращения у Земли возникает полярное сжатие , поэтому и ее фигура представляет собой эллипсоид вращения.
Вращаясь вокруг оси, Земля «направляет» к Солнцу то одно полушарие, то другое. На освещенной стороне – день , на неосвещенной – ночь . Продолжительность дня и ночи в разных широтах определяется положением Земли на орбите. В связи со сменой дня и ночи наблюдается суточная ритмика, которая наиболее ярко выражена у объектов живой природы.
Вращение Земли «заставляет» движущиеся тела отклоняться от направления своего первоначального движения, причем в Северном полушарии – вправо, а в Южном – влево. Отклоняющее действие вращения Земли получило название силы Кориолиса. Наиболее яркими проявлениями этой силы являются отклонения в направлении движения воздушных масс (пассаты обоих полушарий приобретают восточную составляющую), океанских течений, течения рек.
Притяжение Луны и Солнца вместе с осевым вращением Земли обуславливают возникновение приливных явлений. Приливная волна обходит Землю дважды в сутки. Приливы и отливы свойственны всем геосферам Земли, однако наиболее отчетливо они выражены в гидросфере.
Не меньшее значение для природы земли имеет ее орбитальное движение вокруг Солнца.
Обрита Земли имеет эллиптическую форму, то есть в разных ее точках расстояние между Землей и Солнцем неодинаково. В июле Земля находится дальше от Солнца (152 млн км) , и потому ее движение по орбите слегка замедляется. В следствие этого Северное полушарие получает больше тепла по сравнению с Южным и здесь длиннее лето. В январе расстояние между Землей и Солнцем минимальное и равняется 147 млн км.
Период орбитального движения составляет 365 полных суток и 6 часов.
Каждый четвертый год
считается високосным
, то есть содержит 366 суток
, поскольку за 4 года накапливаются лишние сутки.
Принято считать, что основным следствием орбитального движения является смена времен года. Однако это происходит не только в результате годового движения Земли, но и из-за наклона земной оси к плоскости эклиптики, а также в связи с постоянством величины этого угла, которая составляет 66,5 °.
Орбита Земли имеет несколько ключевых точек, которые соответствуют дням равноденствий и солнцестояний. 22 июня – день летнего солнцестояния. В этот день Земля повернута к Солнцу Северным полушарием, поэтому в этом полушарии лето. Лучи Солнца падают под прямым углом на параллель 23,5 ° с.ш. – северный тропик. На Северном полярном круге и внутри него – полярный день , на Южном полярном круге и к югу от него – полярная ночь.
22 декабря , в день зимнего солнцестояния , Земля по отношению к Солнцу занимает как бы обратное положением.
В дни равноденствий оба полушария освещаются Солнцем одинаково. Лучи Солнца падают под прямым углом на экватор. На всей Земле, кроме полюсов, день равен ночи, и его продолжительность составляет 12 часов. На полюсах происходит смена полярных дня и ночи.
blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Земля совершает мало различных движений: вместе с Галактикой в сторону созвездий Лиры и Геркулеса со скоростью 20км/сек., вращательное движение относительно Центра Галактики со V=250-280км/сек., вокруг солнца со скоростью 30км/сек., вокруг своей оси со скоростью 0,5км/сек. и др. Эта сложная система движений вызывает целый ряд явлений на земле, формулируя природные условия. Рассмотрим только 2 движения, которые имеют важное значение для окружающей среды и человека.
Суточное вращение.
При наблюдении с Земли за солнцем и планетами кажется, что Земля неподвижна, а солнце и планеты вращаются вокруг неё (эффект движущего вокзала). Именно такая модель (геоцентрическая), автором которой является Птоломей (2в. до н.э.) просуществовала вплоть до 16в. Однако по мере накопления фактов эта модель стала подвергаться сомнениям. Первым кто публично выступил против неё, был поляк Николай Коперник. После его смерти идеи Коперника развивал итальянец Джордано Бруно, который был сожжен на костре, т.к. отказывался сотрудничать с инквизицией. Его соотечественник Галилей продолжал развивать идеи Коперника, Бруно и с помощью изобретенного им телескопа подтвердил правоту своих.
Таким образом, уже в начале 17в. было доказано вращение Земли вокруг своей оси. В настоящее время этот факт не вызывает не у кого сомнения и мы располагаем многими доказательствами осевого вращения.
Одним из наиболее простых и убедительных является опыт с маятником Фуко. В 1851г. француз Л. Фуко с помощью огромного маятника показал, что плоскость маятника все время смещается по часовой стрелке (если смотреть сверху). Если бы Земля не вращалась с запада на восток (против часовой стрелки), то такого эффекта с маятником не было бы.
Вторым убедительным доказательством осевого вращения Земли является отклонение падающих тел к востоку, т. е. если сбросить груз с высокой башни, то он упадёт на Землю, отклоняясь от вертикали на несколько мм. или см. в зависимости от высоты.
Земной шар вращается вокруг своей оси - как все планеты вращаются вокруг своих осей. Причем все почти вращаются в том же направлении, что и вокруг Солнца. Те места, где ось вращения планет пересекается с их поверхностью, называют полюсами (у Земли - географическими полюсами, Южным и Северным). А линию, проходящую по поверхности планеты на равном расстоянии от обоих полюсов, называют экватор.
Географические полюса не остаются на одном месте, а перемещаются по поверхности планеты. К счастью для нас не очень далеко и не очень быстро.
Наблюдения на станциях Международной службы движения полюсов Земли (до 1961г. она называлась Международной службой широты; а создана была в 1899г.), а также двадцатилетние измерения с помощью геодезических спутников указывают на то, что географические полюса смещаются со скоростью 10см. в год.
Какие же следствия связаны с суточным вращением Земли?
Во-первых, это смена дня и ночи. Причем из-за сравнительного промежутка днем и ночью атмосфера и поверхность Земли не успевает переохладиться и нагреться. Смена дня и ночи в свою очередь вызывает ритмичность многих процессов в природе (биоритмы).
Во-вторых, важным следствием вращения являются отклонение горизонтально движущихся тел вправо в северном полушарии и влево в южном. Отклоняющая сила или сила Кориолиса - связана со смещением во времени направления меридианов и параллелей. На полюсе, где параллели и меридианы друг к другу почти параллельны, эта сила равна нулю, а у экватора, где они находятся под наибольшим углом, сила максимальна.
Эффект Кориолиса имеет большое значение для объектов, долгое время движущимися в меридиональном направлении (водами рек, воздушными массами и т. п.) этот эффект становится ощутим: реки подмывают один из берегов сильнее, чем другой. И ветры, долго дующие в одну сторону, заметно смещаются. Самое важное проявление такого смещения - закручивание ветров в зонах повышенного (антициклонах) и пониженного (циклонах) атмосферного давления.
В-третьих, важным следствием являются приливы и отливы. Вращаясь, Земля периодически попадает под притяжение Луны, в связи с чем возникает приливообразующая волна. Во время новолунья и полнолунья приливы максимальны, во время 1/4 фазы Луны они минимальны.
Вращение Земли издавна используется для счета времени. Полный оборот Земли вокруг оси происходит за разные промежутки времени в зависимости от точки отсчета. Относительно звёзд полный оборот происходит за 23ч. 56мин.4сек. (звездные сутки). А относительно солнца - за 24ч. (солнечные сутки). Однако это средние солнечные сутки, так как ясные солнечные сутки меняются в течении года.
Кроме местного времени (средние солнечные сутки), которое зависит от положения местного меридиана относительно солнца, существует система поясного времени. В связи с этим, весь земной шар разбит на 24 пояса, с нулевым, который проходит через Гринвичский меридиан. Каждый пояс отличается по времени от соседнего на 1 час. На востоке, на 1час больше, а на западе на 1час меньше.