Земля вращается вокруг наклонной оси с запада на восток. Половина земного шара освещается солнцем, там в это время день, вторая половина находится в тени, там ночь. Благодаря вращению Земли происходит смена дня и ночи. Один оборот вокруг своей оси Земля делает за 24 часа — сутки.
Из-за вращения происходит отклонение движущихся потоков (рек, ветров) в северном полушарии — вправо, а в южном — влево.
Вращение Земли вокруг Солнца
Вокруг солнца Земля вращается по круговой орбите, полный оборот совершается за 1 год. Земная ось не вертикальна, она наклонена под углом 66,5° к орбите, угол этот остается постоянным во время всего вращения. Главным следствием этого вращения является смена времен года.
Рассмотрим вращения Земли вокруг Солнца.
- 22 декабря — день зимнего солнцестояния. Ближе всего к солнцу (солнце находится в зените) в этот момент находится южный тропик — поэтому в южном полушарии лето, в северном – зима. Ночи в южном полушарии короткие, на южном полярном круге 22 декабря день длится 24 часа, ночь не наступает. В северном полушарии все, наоборот, на северном полярном круге ночь длится 24 часа.
- 22 июня — день летнего солнцестояния. Ближе всего к солнцу находится северный тропик, в северном полушарии лето, в южном – зима. На южном полярном круге ночь длится 24 часа, а на северном ночь не наступает вовсе.
- 21 марта, 23 сентября — дни весеннего и осеннего равноденствий Ближе всего к солнцу находится экватор, день равен ночи в обоих полушариях.
Для природы земной поверхности осевое вращение Земли имеет большое значение.
1.
Оно создаст основную единицу времени - сутки, делящиеся на две главные части - освещенную и неосвещенную. С этой единицей времени в процессе эволюции органического мира оказалась согласованной физиологическая деятельность животных и растений. Смена напряжения (работы) и ослабления (отдыха) есть внутренняя потребность организмов. Ее ритмы могли быть различными, но в процессе эволюции произошел отбор таких организмов, внутренние биологические «часы» которых «работают» суточно.
Главным синхронизатором биологических ритмов выступает чередование света и темноты. С ним связана ритмика фотосинтеза, клеточных делений и роста, дыхания, свечения водорослей и многое другое.
Так как продолжительность дня меняется по сезонам, то и суточная ритмика у животных и растений колеблется в пределах 23-26, а у некоторых 22-28 ч.
От суток зависит важнейшая черта теплового режима (а не количества тепла) земной поверхности - смена дневного нагревания и ночного охлаждения. При этом важна не только смена; но и их продолжительность.
Суточная ритмика проявляется и в неживой природе: в нагревании и охлаждении горных пород и выветривании, температурном режиме водоемов, температуре воздуха и ветрах, наземных осадках.
2.
Второе существенное значение вращения географического пространства состоит в разделении его на правое и левое. Это приводит к отклонению путей движущихся тел вправо в северном полушарии и влево в южном.
В 1826 г. историк П. А. Словцов указал на подмывание правых берегов рек Сибири. В 1857 г. русский академик К. М. Бэр высказал общее положение о том, что все реки северного полушария подмывают правые берега. В 1835 г. французский математик Г. Кориолис сформулировал теорию относительного движения тел во вращающейся системе отсчета. Вращающееся географическое пространство и является такой подвижной системой. Отклонение путей движения тел вправо или влево получило название кориолисовой силы или кориолисова ускорения.
Сущность явления состоит в следующем. Направление движения тел, естественно, прямолинейно относительно оси Мира. Но на Земле оно происходит на вращающейся сфере, под движущимся телом плоскость горизонта поворачивается влево в северном полушарии и вправо в южном. Поскольку наблюдатель находится на твердой поверхности вращающейся сферы, ему кажется, что движущееся тело отклоняется вправо, тогда как на самом деле плоскость горизонта уходит влево.
Наиболее наглядно кориолисову силу можно проследить на качании маятника Фуко. Подвешенный на свободной нити груз качается в одной плоскости по отношению к оси Мира. Диск под маятником поворачивается вместе с Землей. Поэтому каждое качание маятника по отношению к диску совершается в новом направлении. В Ленинграде (ф=60°) диск под маятником в течение часа поворачивается на 15°sin 60°-13°, где 15° - угол поворота Земли в течение часа.
Отклонение пути движения от первоначального направления любой массы по физической сущности таково же, как отклонение маятника Фуко.
Сохранение массами, в силу инерции, прямолинейного движения и одновременный поворот земной поверхности обусловливают видимое отклонение направлений движения вправо в северном и влево в южном полушариях, независимо от того, движется ли масса вдоль меридиана или вдоль параллели.
Таким образом, отклоняющая сила вращения Земли прямо пропорциональна массе движущегося тела, скорости движения и синусу широты. На экваторе она равна 0 и возрастает с увеличением широты.
Действию кориолисовой силы подвергаются все перемещающиеся массы: вода в океанских и морских течениях, в реках, воздушные массы в процессе циркуляции атмосферы, вещество в ядре Земли; кориолисову силу учитывают и в баллистике.
3. Вращение Земли (вместе с шарообразной формой) в поле солнечной радиации (свет и тепло) определяет западно-восточное протяжение зон природы.
4. Мы уже видели геодезические (для фигуры планеты) и геофизические (для перераспределения масс в ее теле) следствия неравномерности ротационного режима Земли.
5. Благодаря вращению Земли неупорядоченные в разных местах восходящие и нисходящие токи воздуха приобретают преимущественную спиральность: в северном полушарии образуется левый винт, в южном правый. Этой закономерности подчиняются воздушные массы, океанские воды, а также, вероятно, вещество ядра.
Движение вокруг своей оси.
Земля вращается с запада на восток, против часовой стрелки, при этом угловая скорость вращения, т.е. угол на который поворачивается любая точка на поверхности Земли, одинакова и составляет 15 градусов в час. Линейная скорость зависит от широты
местности: на экваторе она максимальна и составляет 464 м/с, на полюсах скорость падает до нуля. Полный оборот вокруг своей оси наша планета производит за 23 часа 56 мин 4 сек. (сутки). За земную ось принимают воображаемую прямую линию, проходящую через полюса, вокруг которой вращается Земля. Перпендикулярно оси расположен экватор – это большой круг, образованный пересечением Земли, перпендикулярный оси вращения на расстоянии, равном от обоих полюсов. Если мысленно пересечь рядом параллельных экватору плоскостей, на земной поверхности появятся линии называемые параллелями. Они имеют направление запад-восток. Длина параллелей от экватора к полюсам уменьшается, соответственно уменьшается и скорость вращения точек. Если пересечь Землю плоскостями, проходящими через ось вращения то на поверхности возникают линии, которые называются меридианами. Они имеют направление север-юг, линейная скорость вращения точек на меридианах различна и от экватора к полюсам уменьшается.
Следствия движения Земли вокруг своей оси :
1. При вращении Земли возникает центробежная сила, которая играет важную роль в формировании фигуры планеты и тем самым уменьшает силу притяжения.
2. Происходит смена дня и ночи.
3 Появляется отклонение тел от направления их движения, этот процесс был назван сила Кориолиса Все тела по инерции стремятся сохранить направление своего движения. Если движение происходит относительно перемещающейся поверхности происходит отклонение этого тела слегка в сторону. Все тела, движущиеся в северном полушарии отклоняются вправо, в южном полушарии – влево. Данная сила проявляется во многих процессах: она изменяет движение воздушных масс, морских течений. По этой причине происходит подмыв правых берегов в северном полушарии и левых берегов в южном полушарии.
4. С осевым движением связаны явления суточной ритмичности и биоритмы. Суточный ритм связан со световыми и температурными условиями. Биоритмы – это важный процесс в развитии и существовании жизни. Без них невозможны фотосинтез, жизнедеятельность дневных и ночных животных и растений и, конечно же, жизнь самого человека (люди совы, люди жаворонки).
5)Доказательство вращения земли.
В середине XIX века Жан Бернард Леон Фуко смог провести опыт, который демонстрирует вращение Земли достаточно наглядно. Опыт этот был проведен неоднократно, а публично сам экспериментатор представил его в 1851 году в здании Пантеона в Париже.
Здание Парижского Пантеона в центре венчает громадный купол, к которому была прикреплена стальная проволока длиной 67 м. К этой проволоке подвесили массивный металлический шар. По разным источникам, масса шара составляла от 25 до 28 кг. Проволока крепилась к куполу таким образом, чтобы получившийся маятник мог качаться в любой плоскости.
Маятник совершал колебания над круглым постаментом диаметром 6 м, по краю которого был насыпан валик из песка. При каждом качании маятника острый стержень, укрепленный на шаре снизу, оставлял на валике отметку, сметая с ограждения песок.
По прошествии каждого периода новая отметка, производимая острием стержня на песке, оказывалась примерно в 3 мм от предыдущей. За первый час наблюдений плоскость качаний маятника повернулась на угол около 11° по часовой стрелке. Полный же оборот плоскость маятника совершила примерно за 32 часа.
В основу опыта был положен уже известный в то время экспериментальный факт: плоскость качания маятника на нити сохраняется независимо от вращения основания, к которому подвешен маятник. Маятник стремится сохранить параметры движения в инерциальной системе отсчета, плоскость которой неподвижна относительно звезд. Если поместить маятник Фуко на полюсе, то при вращении Земли плоскость маятника будет оставаться неизменной, и наблюдатели, вращающиеся вместе с планетой, должны видеть, как плоскость качаний маятника поворачивается без воздействия на него каких-либо сил. Таким образом, период вращения маятника на полюсе равен периоду обращения Земли вокруг своей оси – 24 часам. На других широтах период будет несколько больше, т. к. на маятник действуют силы инерции, возникающие во вращающихся системах – силы Кориолиса. На экваторе плоскость маятника вращаться не будет – период равен бесконечности.
6)Ускорение Кориолиса и его значение для процессов в географической оболочке
.
Появляется отклонение тел от направления их движения, этот процесс был назван сила Кориолиса Все тела по инерции стремятся сохранить направление своего движения. Если движение происходит относительно перемещающейся поверхности происходит отклонение этого тела слегка в сторону. Все тела, движущиеся в северном полушарии отклоняются вправо, в южном полушарии – влево. Данная сила проявляется во многих процессах: она изменяет движение воздушных масс, морских течений. По этой причине происходит подмыв правых берегов в северном полушарии и левых берегов в южном полушарии
Названа по имени французского учёного Гюстава Гаспара Кориолиса, описавшего его в 1833 году.
7)Обращение Земли вокруг Солнца и его следствия.
Путь Земли вокруг Солнца называется орбитой. Орбита Земли – это эллипс, близкий к окружности. Ее длина составляет более 930 млн. км. Полный оборот Земля осуществляет за 365 суток 6 часов и 9 минут. Этот промежуток называют звездным годом.
Земля вращается вокруг оси с запада на восток, совершая полный оборот за 23 ч. 56 мин. 4 с. (звездные сутки). Угловая скорость всех точек Земли одинакова: 15ч (360 ч.). Линейная скорость их зависит от того расстояния, которое точки должны пройти за период суточного вращения. Максимальная линейная скорость на экваторе – 464 м/с, на полюсах –0, на других широтах вычисляется по формуле:
V cos м/с, где - широта места
Одним из доказательств суточного вращения Земли служит опыт Фуко, позволяющий наблюдать вращение Земли и определять угловую скорость
W sin ( - широта места)
Наблюдающееся опытным путем отклонение падающих тел к востоку также свидетельствует о вращении Земли вокруг своей оси.
Важнейшими географическими следствиями являются смена дня и ночи, отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса) и возможность построения системы географических координат. Смена дня и ночи обусловлена вращением Земли в параллельных лучах Солнца, при этом всегда половина земного шара освещена (день), другая не освещена (ночь). Смена дня и ночи обуславливает суточный ритм многих процессов и явлений на Земле.
Благодаря силе Кориолиса все движущиеся тела (воздух, вода, ракеты, снаряды и др.) в северном полушарии отклоняются вправо, в южном – влево. Поэтому правые берега рек, склоны речных долин в северном полушарии преимущественно крутые, обрывистые. Действие силы Кориолиса сказывается на направлении океанических течений (Гольфстрима, Куросио) и ветров (западные ветры умеренных широт, пассаты).
На поверхности Земли есть две замечательные точки, не участвующие во вращении планеты – северный и южный полюсы, опираясь на которые оказалось возможным построить стройную единую систему географических координат : сеть меридианов и параллелей.
Из-за неравномерного движения Земли на орбите солнечные сутки нельзя использовать для измерения точного времени. В практике пользуются средним солнечным временем . Его определяют по среднему Солнцу – воображаемой точке, которая равномерно проходит по небесному экватору свой путь за год. Средние солнечные сутки равны 24 средним солнечным часам, которые делятся на минуты и секунды. За начало средних солнечных суток принимают момент нижней кульминации среднего Солнца, т.е. полночь.
Времена суток – утро, день, ночь, вечер на разных меридианах начинаются в разное время, но на одном меридиане – одновременно.
Новые сутки начинаются на 180 долготы, которая называется линией перемены дат . Каждый меридиан имеет свое местное время , и чем восточнее он расположен, тем раньше на нем начинаются сутки. На меридианах, отстоящих друг от друга на 15 местное время отличается на 1 час, а между соседними, отстоящими друг от друга на 1 - на 4 мин.
Согласованная деятельность людей требует согласованного счета времени, и еще в XIX веке введено поясное время . Земная поверхность разделена на 24 часовых пояса, каждый из которых включает 15 долготы. В каждом часовом поясе счет ведется по местному времени его среднего меридиана, которое одновременно называют поясным временем. В 1930 г. декретом правительства СССР в целях более рационального использования светового дня стрелки часов были переведены на 1 час вперед (декретное время ). На летние месяцы во многих странах вводится летнее время , когда стрелки часов переводятся на 1 час вперед.
Для астрономических работ целесообразно пользоваться всемирным (мировым) временем (гринвичского меридиана).
Притяжение Земли другими телами Солнечной системы вызывает во всем теле планеты упругие деформации (в атмосфере, гидросфере, литосфере). Наибольшее влияние оказывает Луна (в 2,17 раз больше, чем Солнце) и Солнце. Если приливообразующие силы, вызываемые Луной и Солнцем складываются, что бывает в момент сизигии (полнолуние, новолуние), то высота приливов наибольшая: в открытом океане до 77 см, у берегов высота возрастает. Максимальна высота прилива в заливе Фанди, до 18 м. В момент квадратуры (первая и последняя четверть Луны) высота приливов невысока, т. к. в этом случае из приливообразующей силы, создаваемой Луной, вычитается сила, вызываемая Солнцем.
Земные приливы порождают приливное трение. Благодаря большой скорости вращения Земли, приливные выступы смещены относительной прямой, соединяющей центры Земли и Луны, при этом ближайший к Луне выступ (избыток массы) замедляет скорость вращения Земли, а дальний ускоряет ее. Поскольку тормозящее влияние сильнее, то в целом скорость вращения Земли замедляется. Сутки в догеологическую стадию Земли (4,5 млрд. лет назад) были равны 2 часам, 500 млн. лет назад – 20 часам. Замедление составляет 0,001 сек. за 100 лет.
Наша планета находится в постоянном движении. Вместе с Солнцем она перемещается в космосе вокруг центра Галактики. А та, в свою очередь, движется во Вселенной. Но наибольшее значение для всего живого играет вращение Земли вокруг Солнца и собственной оси. Без этого движения условия на планете были бы непригодными для поддержания жизни.
Солнечная система
Земля как планета Солнечной системы по расчетам ученых сформировалась более 4,5 млрд лет назад. За это время расстояние от светила практически не изменялось. Скорость движения планеты и сила притяжения Солнца уравновесили ее орбиту. Она не идеально круглая, но стабильная. Если бы сила притяжения светила была сильнее или скорость Земли заметно уменьшилась, то она бы упала на Солнце. В противном случае она рано или поздно улетела бы в космос, перестав быть частью системы.
Расстояние от Солнца до Земли делает возможным поддержание оптимальной температуры на ее поверхности. В этом немаловажную роль играет и атмосфера. Во время вращения Земли вокруг Солнца меняются времена года. Природа приспособилась к таким циклам. Но если бы наша планета была отдалена на большее расстояние, то температура на ней стала бы отрицательной. Очутись она ближе - вся вода бы испарилась, так как столбик термометра превысил бы точку кипения.
Путь планеты вокруг светила называется орбитой. Траектория этого полета не идеально круглая. Она имеет эллипсность. Максимальная разница составляет 5 млн км. Самая близкая точка орбиты к Солнцу находится на расстоянии 147 км. Она называется перигелием. Земля ее проходит в январе. В июле планета находится от светила на максимальном отдалении. Наибольшее расстояние - 152 млн км. Эта точка называется афелием.
Вращение Земли вокруг своей оси и Солнца обеспечивает соответственно смену суточных режимов и годовых периодов.
Для человека движение планеты вокруг центра системы незаметно. Это из-за того, что масса Земли огромна. Тем не менее каждую секунду мы пролетаем в пространстве около 30 км. Это кажется нереальным, но таковы расчеты. В среднем считается, что Земля находится от Солнца на расстоянии около 150 млн км. Один полный оборот вокруг светила она делает за 365 дней. Пройденное расстояние за год составляет почти миллиард километров.
Точное расстояние, которое наша планета проходит за год, двигаясь вокруг светила, составляет 942 млн км. Мы вместе с ней движемся в пространстве по эллиптической орбите со скоростью 107 000 км/час. Направление вращения - с запада на восток, то есть против условной часовой стрелки.
Полный оборот планета завершает не ровно за 365 дней, как принято считать. При этом проходит еще около шести часов. Но для удобства летоисчисления это время учитывают суммарно за 4 года. В итоге «набегает» один дополнительный день, его добавляют в феврале. Такой год считается високосным.
Скорость вращения Земли вокруг Солнца непостоянна. Она имеет отклонения от среднего значения. Это связано с эллиптической орбитой. Разница между значениями наиболее проявляется в точках перигелия и афелия и составляет 1 км/сек. Эти изменения незаметны, так как мы и все окружающие нас предметы двигаются в системе координат одинаково.
Смена сезонов
Вращение Земли вокруг Солнца и наклон оси планеты делает возможным смену времен года. Это меньше заметно на экваторе. Но ближе к полюсам годовая цикличность проявляется больше. Северное и Южное полушария планеты обогреваются энергией Солнца неравномерно.
Двигаясь вокруг светила, они проходят четыре условные точки орбиты. При этом поочередно два раза в течение полугодичного цикла они оказываются к нему дальше или ближе (в декабре и июне - дни солнцестояний). Соответственно в месте, где поверхность планеты прогревается лучше, там температура окружающей среды выше. Период на такой территории принято называть летом. В другом полушарии в это время заметно холоднее - там зима.
Спустя три месяца такого движения с периодичностью в полгода планетарная ось располагается таким образом, что оба полушария находятся в одинаковых условиях для обогрева. В это время (в марте и сентябре - дни равноденствия) температурные режимы приблизительно равны. Тогда, в зависимости от полушария, наступают осень и весна.
Земная ось
Наша планета - это вращающийся шар. Движение ее осуществляется вокруг условной оси и происходит по принципу волчка. Опираясь основанием в плоскость в раскрученном состоянии, он будет удерживать равновесие. Когда скорость вращения ослабевает, волчок падает.
Земля упора не имеет. На планету действуют силы притяжения Солнца, Луны и других объектов системы и Вселенной. Тем не менее она выдерживает постоянное положение в пространстве. Скорость ее вращения, полученная еще при формировании ядра, достаточна для поддержания относительного равновесия.
Земная ось проходит через шар планеты не перпендикулярно. Она наклонена под углом 66°33´. Вращение Земли вокруг своей оси и Солнца делает возможным смену сезонов года. Планета «кувыркалась» бы в пространстве, если бы у нее не было строгой ориентации. Ни о каком постоянстве условий среды и жизненных процессов на ее поверхности не было бы речи.
Осевое вращение Земли
Вращение Земли вокруг Солнца (один оборот) происходит в течение года. За день на ней сменяются день и ночь. Если посмотреть на Северный полюс Земли с космоса, то можно увидеть, как она вращается против часовой стрелки. Полный оборот она совершает приблизительно за 24 часа. Этот период называют сутками.
Скорость вращения определяет быстроту смены дня и ночи. За один час планета оборачивается приблизительно на 15 градусов. Скорость вращения в разных точках ее поверхности различна. Это происходит из-за того, что она имеет шарообразную форму. На экваторе линейная скорость составляет 1669 км/час, или 464 м/сек. Ближе к полюсам этот показатель уменьшается. На тридцатой широте линейная скорость уже будет составлять 1445 км/час (400 м/сек).
Из-за осевого вращения планета имеет несколько сжатую с полюсов форму. Также это движение «заставляет» отклоняться перемещающиеся предметы (в том числе воздушные и водные потоки) от первоначального направления (сила Кориолиса). Еще одним важным следствием такого вращения являются приливы и отливы.
Смена дня и ночи
Шарообразный объект единственным источником света в определенный момент освещается только наполовину. Применительно к нашей планете в одной ее части в этот момент будет день. Неосвещенная часть будет скрыта от Солнца - там ночь. Осевое вращение дает возможность сменяться этим периодам.
Кроме светового режима изменяются условия обогрева поверхности планеты энергией светила. Такая цикличность имеет важное значение. Скорость смены световых и тепловых режимов осуществляется сравнительно быстро. За 24 часа поверхность не успевает ни чрезмерно нагреться, ни остыть ниже оптимального показателя.
Вращение Земли вокруг Солнца и своей оси с относительно постоянной скоростью имеет определяющее для животного мира значение. Без постоянства орбиты планета не удержалась бы в зоне оптимального обогрева. Без осевого вращения день и ночь длились бы по полгода. Ни то ни другое не способствовало бы зарождению и сохранению жизни.
Неравномерность вращения
Человечество за свою историю привыкло к тому, что смена дня и ночи происходит постоянно. Это служило неким эталоном времени и символом равномерности жизненных процессов. На период вращения Земли вокруг Солнца до определенной степени оказывает влияние эллипсность орбиты и другие планеты системы.
Другая особенность - изменение продолжительности суток. Осевое вращение Земли происходит неравномерно. Выделяют несколько основных причин. Значение имеют сезонные колебания, связанные с динамикой атмосферы и распределением осадков. Кроме того, приливная волна, направленная против хода движения планеты, постоянно его тормозит. Этот показатель ничтожен (за 40 тыс. лет на 1 секунду). Но за 1 млрд лет под действием этого продолжительность суток увеличилась на 7 часов (с 17 до 24).
Следствия вращения Земли вокруг Солнца и своей оси изучаются. Данные исследования имеют большое практическое и научное значение. Их используют не только для точности определения звездных координат, но и для выявления закономерностей, которые могут влиять на процессы жизнедеятельности человека и природные явления в гидрометеорологии и других областях.
