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.
Происходит по орбите, имеющей форму эллипса, со скоростью около 30 км/с. Полный оборот Земля совершает за 365,26 суток. Это время называют звездным (сидерическим) годом . Ось Земли постоянно наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5°. При движении Земли вокруг Солнца ось не меняет своего положения. Поэтому каждая точка земной поверхности встречает солнечные лучи под углами, изменяющимися в течение года. В разные периоды года полушария Земли получают одновременно неодинаковое количество солнечного тепла и света, что служит причиной смены времен года .
На расстоянии от экватора на 23°27′ к северу и югу расположены воображаемые параллельные круги на поверхности земного шара, которые называются тропиками (Северный, или тропик Рака, и Южный, или тропик Козерога), где Солнце один раз в году бывает в полдень в зените. Это - дни солнцестояний: 22 июня - день летнего солнцестояния : вертикально солнечные лучи падают на Северный тропик. В это время в северном полушарии наивысшее положение Солнца и оно получает больше тепла и света, здесь лето и самый длинный день. А есть места, где в это время Солнце совсем не заходит за горизонт. Это полярные области, лежащие между Северным полюсом и северным полярным кругом - параллели, отстоящей от экватора на 66°33′. Здесь - полярный день; на самом полюсе он длится до 186 суток. В южном полушарии в это время зима, а в полярных районах (за южным полярным кругом) - полярная ночь.
Через полгода, 22 декабря - наивысшее положение Солнца над горизонтом в южном полушарии в день зимнего солнцестояния . В зените Солнце в это время над южным тропиком, а в районе полюса оно не заходит за горизонт, в южном полушарии теперь лето, а в северном полушарии - зима. 21 марта и 23 сентября Солнце в зените над экватором и его лучи отвесно падают на экватор; северное и южное полушария освещены вплоть до полюсов; на всех широтах день и ночь продолжаются по 12 ч.; поэтому эти числа называются соответственно - день весеннего и день осеннего равноденствия . 21 марта в северном полушарии начинается астрономическая весна , в южном - осень , а 23 сентября, наоборот, в южном полушарии весна, а в северном осень.
Двигаясь вокруг Солнца, Земля вращается в то же время вокруг своей оси с запада на восток с полным оборотом в течение звездных суток, или за 23 ч 56 мин 4,0905 с среднего солнечного времени. С этим движением связана на Земле смена дня и ночи . На освещенной Солнцем стороне Земли - день, на противоположной, теневой стороне - ночь. Время оборота - сутки - определяют по Солнцу и звездам. Солнечные сутки - это промежуток времени между двумя прохождениями центра диска Солнца через меридиан точки наблюдения. Движение Земли вокруг оси и вокруг Солнца сложное, неравномерное, поэтому продолжительность истинных солнечных суток в течение года меняется. Для определения среднего солнечного времени берут среднюю продолжительность суток в течение года. Солнечные сутки немного длиннее полного оборота Земли, так как Земля движется вокруг Солнца в том же направлении, в котором вращается вокруг оси. Поэтому точное время оборота Земли определяется временем между двумя прохождениями звезды через меридиан данного места. Звездные сутки короче средних солнечных на 3 мин 55,91 с среднего времени.
Угол, на который поворачивается любая точка Земли за определенный отрезок времени, называется угловой скоростью вращения. За час точка продвигается на 15° (360°: 24 ч = 15°). А линейная скорость зависит от широты места. Наибольшая она на экваторе - 464 м/с и уменьшается в направлении полюсов. Например, на широте Санкт‑Петербурга (60°) она будет уже 232 м/с.
Только на полюсе нет обычного деления времени на дни и ночи, так как около полугода Солнце не опускается за горизонт и столько же времени не восходит. Представление об изменении продолжительности дня и ночи на разных широтах можно получить, рассмотрев чертеж, на котором изображено положение Земли в день летнего и зимнего солнцестояния. Видно, как проходит светораздельная плоскость в том случае, когда земная ось наклонена северным концом к Солнцу, и наоборот. В том полушарии, которое обращено к Солнцу, день длиннее ночи. На широтах же, которые вообще не пересекаются светораздельной линией, Солнце какое‑то время круглосуточно освещает (или не освещает) Землю; там смены дня и ночи не происходит.
В результате суточного вращения земного шара (кроме приполярных областей) происходит благоприятная для жизни смена умеренного нагревания в течение дня и умеренного охлаждения за ночь.
Одно из следствий вращения Земли вокруг оси - отклонение движущихся тел в северном полушарии вправо, в южном - влево. Оно вызывается действием силы Кориолиса , основанной на законе инерции, по которому каждое тело стремится сохранить направление и скорость своего движения, а вращающаяся Земля тем временем перемещается, это и вызывает отклонение в направлении движущегося тела. Сила Кориолиса оказывает отклоняющее действие на движение воздуха и воды (речных потоков, морских течений).
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.
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.