Что такое земное вращение?
Вы и не подозреваете, что даже сидя на диване перемещаетесь со скоростью, превышающей звуковую. Да, даже во сне вы продолжаете двигаться с ускорением в 1774 км/ч. А все дело в земном вращении.
Вращение оси – временной промежуток, за который планета выполняет один оборот вокруг оси. Это происходит раз в день и кажется должно занимать 24 часа. Проблема в том, что есть две разновидности вращения, которые стоит учитывать. Это осевое вращение по отношению к Вселенной и проход Солнца по небу Земли.
Что такое земное вращение
У Солнца на проход по небу уходит стандартные 24 часа. Это привычное для нас измерение суток. Но вращение оси тратит 23 часа 56 минут и 4.09 секунд. Откуда отличие? Если разделить 24 часа на 365 дней, то получите лишних 4 минуты. Дело в том, что планета выполняет оборот не только вокруг оси, но и по орбитальному маршруту и сэкономленные 4 минуты лишают Солнце хаотичного движения по нашему небу.
Длительная экспозиция ночного неба позволила захватить 6 часов вращения
Один сидерический день на планете Земля охватывает 23.9344696 часов. Основывается на позиции по отношению к звездам, поэтому ученые пользуются показателем для отслеживания звездного появления. Солнце тратит на проход 24 часа, но время в течение года все же меняется, из-за чего сезоны отклоняются на 16 минут. На это влияет эллиптическая орбита и осевой наклон.
Орбита Земли представлена не кругом, а вытянутым эллипсом. При сближении удаленность составляет 147 095 000 км, а при максимальной отстраненности – 152 100 000 км. Это говорит о том, что орбитальная скорость увеличится, когда планета подойдет к Солнцу. Средний показатель – 29.8 км/с, но может колебаться от 30.29 км/с до 29.29 км/с.
Осевой орбитальный наклон по отношению к оси вращения и орбитальной плоскости
Орбитальный путь и солнечная прецессия через равноденствия приводит к тому, что наш год охватывает 365.2 дней. И каждый год нам нужен дополнительный день (29 февраля), чтобы восполнить потерю.
Земная ось наклонена на 23.439°, из-за чего в июне и декабре Солнце дальше всего отходит от небесного экватора, соответствуя крупному сдвину. Поэтому в марте и сентябре солнечные дни будут казаться короче.
Земля выполняет обороты крайне быстро – 1674.4 км/ч. Но само вращение можно определить двумя способами. Звездный день занимает 23 часа 56 минут 4.0989 секунд. А вращение относительно среднего весеннего равноденствия – 23 часа 56 минут 4.0905 секунд.
Графическое отображение одного солнечного дня
Но лунные приливные эффекты постепенно замедляют скорость. Атомные часы показывают, что современный день на 1.7 миллисекунд длиннее, чем было век назад.
Конечно, важно рассмотреть и то, с чего все началось. Сам процесс вращения запущен еще угловым моментом всех частичек, которые слились в единое целое 4.6 млрд. лет назад. До этого все пространство представляло собою масштабное молекулярное облако, наполненное водородом, гелием и тяжелыми элементами.
Когда оно рухнуло, общий импульс запустил вращательное движение. Не будем забывать, что на нас также повлияло столкновение с Тейей, которая помогла сформировать Луну. Быстрое вращение придало Земле и форму приплюснутого сфероида с выпуклой экваториальной линией.
Художественная интерпретация нашей системы на ранних этапах формирования
Ранее считали, что Земля – неподвижное тело, расположенное в центре Вселенной, вокруг которого совершают обороты остальные объекты (геоцентрическая система). Все ученые будто сговорились и твердили, что не было даже вращения. Но были и индивидуалисты. Например, Аристарх Самосский не побоялся опубликовать работу, где говорил, что планета совершает обороты вокруг Солнца, а пространство намного больше. Его поддержал и Селевкис.
Геоцентрическая модель Птолемея, изображенная в 1568 году Бартоломеу Велью
В борьбу с геоцентристами вступили исламские и индийские исследователи, которые в 499-м г. до н.э. выпускали свои модели с Солнцем в центре. Активно спорил Абу Саид аль-Сийзи, который говорил, что осевой оборот объясняет не только смену дня и ночи, но и перемещение звезд. Но он относился к этому скорее как философ, а не математик.
В 14-м веке гелиоцентризм достиг Европы и Николь Ореме затронул тему возможности Земли выполнять осевой оборот. Но только с приходом Николая Коперника в 1514 году эта идея начала обретать вес и мощную доказательную базу (гелиоцентрическая система).
Гелиоцентрическая модель, представленная Иоганном Кеплером
Коперник основывался на предположениях Аристарха, а также на работах исламских исследователей. Он считал, что Солнце расположено в центре, а все планеты вращаются вокруг него. Его мнение подкрепилось доказательствами от Галилея и Ньютона.
Появление современных спутников не только подтвердило теорию, но и помогло провести точные вычисления. Сейчас мы знаем о вращении, а также о том, что оно постепенно замедляется. И однажды планета может просто остановиться.
Источник
Орбита Земли
В 16-м веке Николай Коперник произвел настоящую революцию, доказав, что в центре Солнечной системы установлено Солнце, а остальные объекты совершают обороты вокруг (гелиоцентрическая система). Тогда что насчет круговой орбиты Земли?
Орбитальные характеристики Земли
Земля вращается вокруг Солнца по орбите с ускорением в 108000 км/ч, тратя на один проход 365.242199 солнечных дней. Да, именно поэтому через каждые 4 года мы нуждаемся в добавлении дня.
Расстояние от Земли до Солнца меняется по мере прохода. Планета приближается (перигелий) на 147 098 074 км. Средняя удаленность – 149.6 млн. км. Наибольшая отстраненность (афелий) – 152 097 701 км.
Если вы проживаете в северном полушарии, то могли отметить, что тепло/холод не сходятся с принципом удаленности, потому что зависят от осевого наклона.
Эллиптическая орбита Земли
Нет, маршрут планеты не выступает идеальным кругом. Мы вращаемся по вытянутому эллипсу. Впервые это описал Иоганн Кеплер. Можете изучить движение Земли по орбите на схеме.
Строение орбиты Земли
Ученый измерил орбиты Земли и Марса и понял, что периодически они ускорялись и тормозили. Это совпадало с показателями афелия и перигелия, а значит дистанция от звезды основывается на орбитальной скорости (никакой круговой орбиты).
Для характеристики природы эллиптических орбит исследователи используют понятие эксцентриситета – от 0 к 1. Если он приближен к 0, то имеем практически круг. У Земли – 0.02, то есть близка к круговой.
Сезонные перемены орбиты
Большую роль играет наклон оси Земли. Наши 4 сезона (времена года) появились только благодаря тому, что вращение оси находится под углом в 23.4°. Это приводит к солнцестоянию и равноденствию.
Фиксация оси не меняется, поэтому солнечная радиация распределяется по-разному
То есть, если северное полушарие отошло от Солнца, то уходит в зимнее время, а на южном – летний зной. Через 6 месяцев они меняются местами. Зимнее солнцестояние приходит 21 декабря, летнее – 21 июня, весеннее равноденствие – примерно 20 марта, а осеннее – 23 сентября.
Что такое точки Лагранжа в космосе? Это также интересный момент. На нашем орбитальном пути расположено 5 точек, где общая гравитационная сила между Землей и Солнцем гарантирует центростремительную силу.
Точки Лагранжа Земли-Солнца
Точки отмечены от L1 до L5. L1, L2 и L3 установлены на прямой линии от нас к Солнцу. Они не отличаются стабильностью, а значит отправленный туда спутник будет смещаться.
L4 и L5 пребывают на углах двух треугольников, где внизу располагаются Солнце и Земля. Из-за своей устойчивости являются наилучшими местами для позиции зондов и телескопов.
Нам важно изучать орбиту не только родной планеты, но и чужих миров в Солнечной системе. Потому что удаленность от звезды часто играет ключевую роль в наличии жизни на Земле.
Источник
Что мы знаем об орбите Земли
Орбита Земли — путь, по которому небесное тело движется вокруг Солнца. Впервые наличие орбиты доказал Николай Коперник. До его открытия считалось, что наша планета неподвижна в космическом пространстве.
Как открыли земную орбиту
В античные времена Птолемей, Аристотель и их последователи считали модель построения Вселенной геоцентрической. Согласно ей, в центре располагалась Земля, а все космические тела вращались вокруг планеты. Впервые сомневаться в этом начал древнегреческий ученый Аристарх Самосский. Наблюдая в III в. до н. э. лунное затмение, он сделал вывод, что Луна не является самостоятельным светилом, а только отражает солнечный свет, и она меньше Солнца по диаметру во много раз. И будет странным, что такой большой небесный объект, как наша звезда, вращается вокруг маленькой Земли.
Окончательно геоцентрическая теория была развенчана в 1534 г. польским астрономом Н. Коперником, автором гелиоцентрического учения, доказавшим, что Солнце обращаться вокруг Земли не может.
Первым, кто доказал эллиптическую форму орбиты нашей планеты, был немецкий ученый И. Кеплер. Наблюдая за движением Земли и Марса, он понял, что планеты периодически замедляются, а затем снова ускоряются, что было бы невозможно, будь орбита круговой.
Расстояние от Солнца до Земли
Этот параметр зависит от точки нахождения нашей планеты в пространстве. Расстояние равно:
- в перигелии (ближайшей точке к Солнцу) — 147,1 млн км;
- в афелии (самой удаленной от светила позиции, называемой также апогелием) — 152,1 млн км.
Эта мера была принята еще в Средние века, но поначалу не имела никакого численного значения — все линейные расстояния выражались в условной дистанции между Землей и Солнцем. Только в 1672 г. европейский ученый Дж. Кассини впервые оценил орбитальный радиус Земли в 140 млн км. Это значение было уточнено только советскими астрономами в 1961 г. Полученное ими значение — 149,5993 млн км с погрешностью +/- 2000 км.
Расстояние до светила не влияет на смену сезонов, которая зависит лишь от осевого наклона тела.
Точку перигелия наша планета проходит в промежутке с 2 до 5 января каждого года. И хотя солнечного тепла на поверхность планеты в этот период попадает больше, в северном полушарии в это время длится зима. В афелии Земля оказывается между 3 и 7 июля, минимум света и тепла от центральной звезды не мешает продолжаться лету во всех регионах севернее экватора.
Траектория движения планеты вокруг Солнца.
Credit: wikiwand.com.
Форма траектории движения Земли по орбите
Орбита Земли выглядит более круглой, чем траектории движения большинства планет нашей системы, но это не идеальный круг: вокруг солнца мы движемся по слегка вытянутому эллипсу.
Основная характеристика орбит — эксцентриситет Е, коэффициент их сжатости. Его значение лежит в интервале от 0 (идеальный круг) до 1 (максимально узкий эллипс, вытянутый почти в прямую линию). Для Земли величина Е невелика, всего 0,017. После Венеры с эксцентриситетом 0,007 и Нептуна (Е=0,011) земной результат — третий в Солнечной системе среди объектов планетарного типа.
Незначительное изменение орбитального диаметра нашей планеты играет важную роль в обеспечении возникновения и развития жизни здесь: так поддерживаются стабильные значения средней земной температуры. Для сравнения — эксцентриситет Меркурия составляет 0,2, что вызывает экстремальную смену температуры в течение дня и ночи. Меркурианская орбита — самая вытянутая в нашей системе.
Длина земной орбиты оценивается в 930-940 млн км.
Скорость движения нашей планеты
Движение Земли по орбите осуществляется со средней скоростью около 30 км/с. Любое тело, согласно законам физики, будет двигаться по эллиптической орбите неравномерно: быстрее в перигелии (наша планета в этой точке ускоряется до 30,2 км/с) и медленнее в афелии (земное значение — 29,2 км/с).
На 1 полный оборот вокруг Солнца планета тратит 365,24 суток. Для удобства расчетов этот период принят равным 365 дней, но каждые 4 года земной календарь корректируется — в него вводится 1 дополнительный день.
Плоскость орбиты
Точки любой орбиты всегда лежат в одной плоскости. Для Земли такая космическая «поверхность» называется эклиптикой, все остальные планеты системы движутся в плоскостях, близких к нашей.
Центральное светило тоже вращается вокруг своей оси, в том же направлении, что и все соседние планетарные объекты. Это косвенное доказательство того, что оно и все остальные тела системы образовались из единого газопылевого протооблака. Но одному явлению объяснение до сих пор не найдено: Солнце вращается с существенным отклонением от эклиптики. Не исключено, что в непосредственной близости от нас существуют крупные неоткрытые планеты, чье гравитационное воздействие так влияет на нашу звезду.
Эклиптика участвует в оценке наклона оси небесного тела. Для нас он составляет 23°, что является причиной неравномерного годового нагрева южного и северного полушарий, когда Земля находится на разных участках орбиты и смены времен года.
Отклонение орбиты от идеальной формы
И. Кеплер вывел несколько законов, описывающих принципы движения небесных тел, и поводов сомневаться в них ученым XVII в. не было. Но с повышением точности измерений начали обнаруживаться отклонения от кеплеровского учения. Немецкий астроном построил свою модель на 2 упрощениях:
- вес любой планеты принимался пренебрежимо малым относительно веса Солнца;
- было учтено только взаимное гравитационное влияние светила и планеты, а воздействие соседних небесных тел не принималось во внимание.
Сегодня ученые при вычислении орбитальных характеристик учитывают еще один важный фактор. Они принимают во внимание, что не только планета вращается вокруг светила, но и связка «небесное тело — звезда» выполняет собственное вращение вокруг барицентра — условной точки в космосе, центра масс. В силу значимости солнечных габаритов барицентр нашей системы находится внутри Солнца, и он несколько меняет свое расположение.
Такая цикличность наблюдается на планете уже миллионы лет. Она стала причиной множества глобальных катаклизмов, например, ледниковых периодов.
Вместе с расстоянием до Солнца постоянно изменяется эксцентриситет нашей орбиты. Его величина в разные годы отличалась от сегодняшней и составляла от 0,05 до 0,005.
Насколько устойчива орбита Земли
Согласно кеплеровским законам, планеты Солнечной системы и местные непланетарные объекты способны вращаться вокруг своего светила бесконечно долго. На практике возможны случаи, когда небесные тела покидают орбиту и улетают в космическое пространство либо притягиваются Солнцем и погибают, врезавшись в него.
Предсказать аналитическим путем это невозможно, но и компьютерное моделирование не дает точного представления о будущей судьбе нашей системы. Самым нестабильным выглядит Меркурий — он может упасть на звезду либо начать критически удаляться от нее до момента столкновения с Венерой или нашей планетой. Прогнозы для Земли более благоприятны. Даже через миллиарды лет она все еще будет оставаться на своей орбите.
Источник