Тем 9

Тема 9. ДВИЖЕНИЕ ЗЕМЛИ (ОСЕВОЕ И ОРБИТАЛЬНОЕ), ИХ
ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ЗНЕЧЕНИЕ
9.1. ВИДИМОЕ ДВИЖЕНИЕ СВЕТИЛ
Чтобы понять видимое движение Солнца и других светил на небесной сфере,
рассмотрим истинное движение Земли. Земля является одной из планет солнечной
системы. Она непрерывно вращается вокруг своей оси. Период вращения ее равен
одним суткам. Поэтому наблюдателю, находящемуся на Земле, кажется, что все
небесные светила обращаются вокруг Земли с востока на запад с тем же периодом.
Но Земля не только вращается вокруг своей оси. Она обращается также вокруг
Солнца по эллиптической орбите. Полный оборот вокруг Солнца она совершает за
один год.
В любой точке на поверхности Земли наблюдатель всегда видит непрерывное
суточное движение светил. Это движение является кажущимся и происходит
вследствие действительного вращения Земли вокруг своей оси. Оно совершается с
такой же угловой скоростью, как и вращение Земли, но в направлении, обратном
вращению Земли, т. е. с востока на запад. При этом каждое светило движется вокруг
оси мира по своей суточной параллели, плоскость которой параллельна плоскости
небесного экватора. Так как взаимное расположение плоскости истинного горизонта
и суточных параллелей светил меняется при перемещении наблюдателя по земной
поверхности, то характер видимого суточного движения светил на различных
широтах будет неодинаковым.
Уяснение видимого суточного движения светил представляет собой важный для
географа вопрос, поскольку возможность использования светил для ориентирования
зависит от характера этого движения.
На Северном полюсе Земли вертикаль наблюдателя совпадает с осью мира, а
плоскость истинного горизонта – с плоскостью небесного экватора (рис. 9.1).
Рис. 9. 1. Суточное движение светил на Северном полюсе
Горизонтальная система небесных координат совпадает с экваториальной. Для
наблюдателя, находящегося на Северном полюсе Земли, будут всегда видны только
светила северной небесной полусферы. В течение суток видимые светила будут
двигаться параллельно истинному горизонту. Следовательно, для этого частного
случая высоты светил будут равны их склонениям.
На экваторе Земли плоскость небесного экватора располагается
перпендикулярно к истинному горизонту и проходит через зенит (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Суточное движение светил на экваторе Земли
Поэтому и плоскости суточных параллелей всех светил также перпендикулярны
к истинному горизонту. Для наблюдателя, расположенного на экваторе Земли, все
светила будут восходить и заходить. Независимо от величины и знака склонения
половину суток светила будут над горизонтом, а половину – под горизонтом.
Все светила будут двигаться перпендикулярно к плоскости истинного
горизонта.
На средних широтах суточные параллели светил расположены наклонно к
плоскости истинного горизонта (рис. 9.3).
Рис. 9.3. Суточное движение светил на средней широте
В зависимости от географической широты и от склонения светил одна часть
суточных параллелей светил пересекает истинный горизонт в двух точках, другая
целиком располагается над ним, а третья – под ним. Поэтому на средних широтах
соответственно одни светила восходят и заходят, другие никогда не заходят за
горизонт, а третьи – не восходят. При этом продолжительность пребывания светил
над горизонтом зависит как от широты места наблюдения, так и от склонения
2
светил. Очевидно, что в Северном полушарии чем больше склонение светила, тем
большую часть суток оно находится над горизонтом.
Следует заметить, что с суточным движением светил связаны такие явления,
как восход, заход и кульминация светил.
В зависимости от положения суточных параллелей меняются точки восхода и
захода светил на горизонте. Когда светило находится на небесном экваторе, т. е.
когда его склонение равно нулю, оно восходит точно в точке востока и заходит
точно в точке запада. Когда склонение светила больше нуля, его суточная параллель
смещается от экватора к Северному полюсу мира, оно восходит на северо-востоке, а
заходит на северо-западе. Когда склонение светила меньше нуля, его суточная
параллель смещается к Южному полюсу мира, светило восходит на юго-востоке, а
заходит на юго-западе.
Все светила за сутки в своем видимом движении дважды пересекают небесный
меридиан. Пересечение центром светила небесного меридиана называется
кульминацией светила. Кульминация – слово латинское и в переводе означает
вершина. Различают верхнюю и нижнюю кульминацию светила.
В верхней кульминации высота светила наибольшая, а в нижней – наименьшая.
Для незаходящих светил обе кульминации происходят над горизонтом. Для
восходящих и заходящих светил верхняя кульминация происходит над горизонтом,
а нижняя под горизонтом. У невосходящих светил обе кульминации происходят под
горизонтом и они недоступны наблюдениям.
В момент верхней кульминации часовой угол светила равен 0, а в момент
нижней кульминации 180°.
При кульминации светила к югу от зенита высоты в момент верхней и нижней
кульминаций рассчитывают по формулам:
При кульминации светила к северу от зенита высоты в момент верхней и
нижней кульминаций рассчитываются по формулам:
Обобщая формула высоты светила для момента верхней кульминации,
получаем, что
hBK = 90°±(δ – φ).
Знак плюс перед скобкой берется тогда, когда светило кульминирует к югу от
зенита (δ<φ), а знак минус, – когда к северу от зенита (δ>φ).
Высота в момент нижней кульминации для всех светил определяется по единой
формуле.
hНK = δ + φ – 90°.
Формула высоты светила в момент его верхней кульминации имеет важное
практическое значение. По высоте светила, измеренной в момент кульминации,
при знании склонения светила можно определить широту своего
3
местонахождения. Формулы для расчета высот светил в момент верхней и нижней
кульминаций позволяют установить зависимость между широтой места
наблюдателя, склонением Солнца и его высотой.
Из рассмотренных формул видно, что при предельных значениях склонения
Солнца, равных ±23°26', его высота в момент верхней кульминации на
географических широтах ±23°26' равна 90°, т. е. Солнце будет кульминировать в
зените. На географической параллели, северная широта которой равна 23°26',
Солнце кульминирует в зените в день летнего солнцестояния, а на географической
параллели, южная широта которой 23°26', в день зимнего солнцестояния.
Географическая параллель, северная широта которой равна 23°26', называется
северным тропиком, или тропиком Рака, а географическая параллель, южная
широта которой равна 23°26' – южным тропиком, или тропиком Козерога. В
указанных созвездиях много веков тому назад находились точки солнцестояний.
Из формул также видно, что при склонении Солнца ±23°26' его высота в
моменты кульминаций на широтах = 66°34' равна нулю. На географической
параллели, северная широта которой равна 66°34', высота Солнца равна нулю в
момент нижней кульминации в день летнего солнцестояния и в момент верхней
кульминации в день зимнего солнестояния, т. е. в эти дни на этой параллели Солнце
соответственно не заходит и не восходит. Эта географическая параллель
называется Северным полярным кругом.
На географической параллели, южная широта которой 66°34', в день зимнего
солнцестояния Солнце является незаходящим светилом, а в момент летнего
солнцестояния – невосходящим светилом. Эту параллель называют Южным
полярным кругом.
Пример. Дата 22 июня; склонение Солнца δ = +23°26'; широта СанктПетербурга φс = 59°59'. Определить высоту Солнца в моменты верхней и нижней
кульминаций.
Решение. 1. Определяем положение Солнца относительно зенита в момент
верхней кульминации. Так как δ < φ, то Солнце кульминирует к югу от зенита.
2. Определяем высоту Солнца в момент верхней кульминации:
hBK = 90° + (δ – φ) = 90° + 23°26' – 59°59' = 53°27'
3. Определяем высоту Солнца в момент нижней кульминации:
hНK = δ + φ – 90° = 23°26' + 59°59' – 90° = – 6°35'
Из примера видно, что на широте Санкт-Петербурга в день летнего
солнцестояния Солнце опускается под горизонт не ниже 6°35'. Так как темнота
наступает при высоте Солнца минус 6°, то в летнее время здесь почти всю ночь
длятся сумерки, т. е. наблюдаются белые ночи.
При внимательном наблюдении неба можно заметить, что звезды на протяжении
многих лет неизменно сохраняют свое взаимное расположение. Вследствие их
чрезвычайной удаленности и весьма малых собственных движений относительно
друг друга они с любой точки земной орбиты видны одинаково. Тела же солнечной
системы – Солнце, Луна и планеты, которые находятся сравнительно недалеко от
Земли, меняют свое положение среди звезд. Таким образом, Солнце наравне со
4
всеми светилами участвует в суточном движении и одновременно имеет
собственное видимое движение (оно называется годовым движением),
обусловленное движением Земли вокруг Солнца.
Рассмотрим отдельно эти два главных видимых движения Солнца и разберемся,
какие изменения они вносят в положение Солнца на небесной сфере.
9.2. ВИДИМОЕ ГОДОВОЕ ДВИЖЕНИЕ СОЛНЦА.
Наиболее просто годовое движение Солнца можно объяснить по рис. 9.4, на
котором изображена небесная сфера, Солнце и орбита Земли.
Рис. 9.4. Видимое годовое движение Солнца
Из этого рисунка видно, что в зависимости от положения Земли на орбите
наблюдатель с Земли будет видеть Солнце на фоне разных созвездий. Ему будет
казаться, что оно все время перемещается по небесной сфере. Это движение
является отражением обращения Земли вокруг Солнца. За год Солнце сделает
полный оборот.
Большой круг на небесной сфере, по которому происходит видимое годовое
движение Солнца, называется эклиптикой. Эклиптика – слово греческое и в
переводе означает затмение. Этот круг назвали так потому, что затмения Солнца и
Луны происходят только тогда, когда оба светила находятся на этом круге.
Следует отметить, что плоскость эклиптики совпадает с плоскостью
орбиты Земли. Видимое годовое движение Солнца по эклиптике происходит в том
же направлении, в котором Земля движется по орбите вокруг Солнца, т. е. оно
перемещается к востоку.
В соответствии с европейской астрологической традицией зодиакальный пояс
разделен на 12 частей по 30°. За год Солнце проходит 13 зодиакальных созвездий.
Прежде чем оказаться в созвездии Стрельца, проходит через созвездие Змееносца в
течение нескольких дней с 30 ноября по 18 декабря, но, так как зодиакальных
созвездий должно быть двенадцать, по числу месяцев в году, его не включают в
5
зодиак. Зодиак – слово греческое, которое означает звериный круг (большинство
созвездий этого круга имеют названия животных).
Пояс Зодиака образуют следующие созвездия: Рыбы, Овен, Телец, Близнецы,
Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог и Водолей. В каждом из них
Солнце бывает примерно месяц.
Вследствие того, что плоскость земного экватора наклонена к плоскости
орбиты Земли на 23°26', плоскость небесного экватора также наклонена к плоскости
эклиптики на угол ɛ =23°26'. Наклон эклиптики к экватору не сохраняется
постоянным. В 1896 г. при утверждении астрономических постоянных решено было
наклон эклиптики к экватору считать равным 23°27'8'',26.
Вследствие воздействия на Землю сил притяжения Солнца и Луны он
постепенно изменяется в пределах от 22°59' до 24°36'. В данный период времени
угол ɛ равен 23°26' и непрерывно уменьшается на 0,47" в год.
Из-за наклона земной оси Северное и Южное полушария попеременно бывают
обращены в сторону Солнца, в результате чего на Земле происходит смена времен
года. Поскольку наклон оси в южном полушарии полностью противоположен ее
направлению в северном полушарии, сезоны на юге противоположны северным.
Рис. 9.5. Орбитальное движение Земли вокруг Солнца
В наше время Земля проходит перигелий 3 января, а через афелий 3 июля.
Изменение направления Земли и Солнца приводит к увеличению солнечной энергии
на 6,9%, которая достигает Земли в перигелии относительно афелия. Поскольку
южное полушарие наклоняется к Солнцу примерно в то же время, когда Земля
достигает самой ближайшей точки от Солнца, в течение года южное полушарие
получает немного больше солнечной энергии, чем северное полушарие. Однако
такой эффект менее значителен, чем общее изменение энергии из-за наклона оси:
большинство получаемой энергии поглощают воды южного полушария.
Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках, которые
называются точками весеннего и осеннего равноденствий (рис. 9.6).
6
Рис. 9.6. Основные точки эклиптики
Точку весеннего равноденствия принято обозначать знаком созвездия Овен ,
а точку осеннего равноденствия – знаком созвездия Весов 
Солнце в этих точках соответственно бывает 21 марта и 23 сентября. В эти дни
на Земле день равен ночи, Солнце точно восходит в точке востока и заходит в точке
запада.
Точки эклиптики, отстоящие от точек равноденствий на 90°, называются
точками солнцестояний. Точка Е на эклиптике, в которой Солнце занимает самое
высокое положение относительно небесного экватора, называется точкой летнего
солнцестояния, а точка Е', в которой оно занимает самое низкое положение,
называется точкой зимнего солнцестояния. В точке летнего солнцестояния Солнце
бывает 22 июня, а в точке зимнего солнцестояния – 22 декабря. В течение
нескольких дней, близких к датам солнцестояний, полуденная высота Солнца
остается почти неизменной, в связи с чем эти точки и получили такое название.
Когда Солнце находится в точке летнего солнцестояния день в Северном полушарии
самый длинный, а ночь самая короткая, а когда оно находится в точке зимнего
солнцестояния – наоборот.
В день летнего солнцестояния точки восхода и захода Солнца максимально
удалены к северу от точек востока и запада на горизонте, а в день зимнего
солнцестояния они имеют наибольшее удаление к югу.
Известно, что склонение Солнца отсчитывается от плоскости небесного
экватора, а прямое восхождение – от точки весеннего равноденствия. Поэтому
когда Солнце находится в точке весеннего равноденствия, его склонение и прямое
восхождение равны нулю. В течение года склонение Солнца изменяется от + 23°26'
до –23°26', переходя два раза в год через нуль, а прямое восхождение от 0 до 360°
(табл. 9.1).
7
Таблица 9.1
Экваториальные координаты Солнца в основных точках эклиптики
Точка
Дата прохождения
Прямое
Склонение
эклиптики
Солнца через точку
восхождение
Солнца
21 марта
0
0
Е
22 июня
90°
+23°26'
180°
23 сентября
0
γ
Е'
22 декабря
270°
–23°26'
Экваториальные координаты Солнца в течение года изменяются неравномерно.
Происходит это вследствие неравномерности движения Солнца по эклиптике и
наклона эклиптики к экватору.
Половину своего видимого годового пути Солнце проходит за 186 суток с 21
марта по 23 сентября, а вторую половину за 179 суток с 23 сентября по 21 марта.
Неравномерность движения Солнца по эклиптике связана с тем, что Земля на
протяжении всего периода обращения вокруг Солнца движется по орбите не с
одинаковой скоростью. Солнце находится в одном из фокусов эллиптической
орбиты Земли (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Движение Земли по орбите
Согласно второму закону Кеплера (тема 5) Земля, находясь ближе к Солнцу, т.е.
в перигелии, движется быстрее, а находясь дальше от Солнца, т.е. в афелии –
медленнее. Ближе к Солнцу Земля бывает зимой, а летом – дальше. Поэтому в
зимние дни она движется по орбите быстрее, чем в летние. Вследствие этого
суточное изменение прямого восхождения Солнца в день зимнего солнцестояния
равно 1°07', тогда как в день летнего солнцестояния оно равно только 1°02'.
Различие скоростей движения Земли в каждой точке орбиты вызывает
неравномерность изменения не только прямого восхождения, но и склонения
Солнца. Однако за счет наклона эклиптики к экватору его изменение имеет другой
характер. Наиболее быстро склонение Солнца изменяется вблизи точек
равноденствия, а у точек солнцестояния оно почти не изменяется.
Знание характера изменения экваториальных координат Солнца позволяет
производить приближенный расчет прямого восхождения и склонения Солнца. Для
выполнения такого расчета берут ближайшую дату с известными экваториальными
координатами Солнца. Затем учитывают, что прямое восхождение Солнца за сутки
изменяется в среднем на 1°, а склонение Солнца в течение месяца до и после
прохождения точек равноденствия изменяется на 0,4° в сутки; в течение месяца
перед солнцестояниями и после них – на 0,1° в сутки, а в течение промежуточных
месяцев между указанными – на 0,3°.
8
Пример. Рассчитать экваториальные координаты Солнца на 30 апреля.
Решение. 1. Берем ближайшую дату с известными координатами Солнца.
Ближайшая дата 21 марта, для которой α = 0; δ = 0 (табл. 9.1).
2. Определяем количество суток между датами: от 21 марта до 30 апреля 40
суток.
3. Рассчитываем прямое восхождение и склонение Солнца: ∆α = 1°× 40 = 40°;
α = 0 + 40° = 40°.
Изменение склонения за месяц
∆δ1 = 0,4°×30 = 12°.
Изменение склонения за 10 дней
∆δ2 = 0,3°× 10 = 3°.
Следовательно,
б = 0 + 12° + 3° = 15°.
Знак склонения положительный, так как Солнце в апреле находится на
эклиптике к северу от небесного экватора. Рассмотренный способ позволяет
определять экваториальные координаты Солнца приближенно. Точный расчет их
производят с помощью солнечного калькулятора онлайн (http://allcalc.ru/node/364)
или астрономического ежегодника.
Вместе с Солнцем Земля участвует в движении вокруг центра Галактики со
средней скоростью 300 км/с, совершая один оборот за 200-230 млн. лет. Этот период
называется галактическим годом.
Период полного обращения Земли вокруг центрального светила (относительно
звёзд) составляет 365 суток 6 часов 9 минут 10 секунд (365,25636 средних
солнечных суток). Этот период называют звёздным или сидерическим годом.
Период обращения, исчисляемый в солнечных сутках, называют тропическим
годом. Тропический год содержит 365,2422 средних солнечных суток.
Если бы эклиптика совпадала с небесным экватором, то день и ночь всегда
были бы равны по времени. Но так как Солнце только дважды в году пересекает
небесный экватор, то только в эти двое суток день равен ночи. К тому же между
этими двумя точками Солнце движется по эклиптике неравномерно. От точки
весеннего равноденствия (21 марта) до точки осеннего равноденствия (23 сентября)
Солнце проходит за 186 суток, а от точки осеннего равноденствия до точки
весеннего равноденствия за 179 суток.
У египтян гражданский год содержал в себе ровно 365 дней и подразделялся
на 12 месяцев по 30 дней. Остальные 5 дней просто прибавлялись в конце года.
Следовательно, каждый год у них начинался на ¼ суток раньше предшествующего и
мог снова совпадать с тропическим через 1460 лет.
Римляне подразделяли гражданский год на 12 месяцев: martius, aprilis, maius,
junius, quintilis, sextilis, september, october, november,а december, januarius, februarius.
Не зная истинной продолжительности тропического года, они начали очень часто и
вполне произвольно изменять число дней в месяцах, чтобы согласовать свой год с
солнечным. Это привело их счисление времени или календарь (от слова «календы»,
которыми назывались первые дни каждого месяца) к такому беспорядку, что Юлий
Цезарь (100-44гг. до н.э.) решил произвести в ней коренную реформу.
Призванный с этой целью из Александрии астроном Созиген, взяв в основание
летоисчисления продолжительность тропического года в 365,25 дней, установил
считать в трёх следующих один за другим простых годах по 365 дней, а в четвёртом
високосном (от слова «bissextus» - два раза шесть) – 366 дней. Это летоисчисление с
теми же названиями месяцев, за исключением пятого и шестого, которые были
9
переименованы в июль и август, и с тем же числом дней в них, какое есть в
настоящее время, было принято в 325 году н.э. на Никейском вселенном соборе и
христианской церковью.
Разница в 0,0078 суток между истинной продолжительностью тропического
года (365,2422) и Юлианского гражданского (362,25) постепенно накапливалась и
через 128 лет составляла целые сутки. Вследствие этого весеннее равноденствие,
которое приходилось на 21 марта в эпоху Никейского собора, в 16 столетии стало
приходиться на 10 дней раньше, т.е. на 11 марта.
Это оказалось неудобным для церковного летоисчисления. По правилам
христианской церкви праздник Пасхи должен наступать в первое воскресенье после
первого весеннего полнолуния, т.е. первого полнолуния после дня весеннего
равноденствия. В 1582 году папа Григорий XIII (1502-1585) исправил это, а чтобы
весеннее равноденствие и в будущем приходилось всегда около 21 марта,
постановил считать те круглые в сотнях годы, которые не делятся без остатка на 400
(1700, 1800, 1900, 2100 и т.д.) – простыми, делящиеся на 400 (1600, 2000 и т.д.) –
високосными.
Григорианское летоисчисление принято называть новым стилем. Средняя
продолжительность Григорианского гражданского года равна 365,2425 средним
солнечным суткам и отличается от продолжительности тропического года на малую
величину. Это летоисчисление было принято как обязательное сначала
католическими, а затем и всеми европейскими государствами, за исключением
России, Греции, Сербии и Болгарии, жившими некоторое время по старому стилю,
т.е. Юлианскому летоисчислению, которое успело отстать на 13 дней. В 1918 г.
Россия перешла на Григорианское летоисчисление и 1 февраля стали считать
14 февраля 1918г. Это различие в 13 суток будет сохраняться до 28 февраля 2100г.
по новому стилю. После этой даты оно станет равным 14 суткам.
По своей точности Григорианский календарь отвечает самым строгим
требованиям современности. Ошибка в одни сутки накапливается в нём примерно
лишь за 3300 лет.
Заметим, что ещё с древних времён сохранился семидневный период или
неделя, который исходит из обычая называть дни по именам Солнца, Луны, Марса,
Меркурия, Юпитера, Венеры и Сатурна. Разные годы и месяцы начинаются с
разных дней. Это объясняется тем, что простой год содержит 52 недели плюс 1 день,
а високосный – 52 недели плюс 2 дня. Но так как целое число дней содержится в 4-х
Юлианских годах, то только через 28 лет все числа месяцев повторятся в прежние
дни недели. Этот 28-летний период называется циклом или кругом Солнца.
Исторические исследования календарей древних славян 2-4 веков н.э.
подтверждают, что учёные Киевской Руси достаточно полно знали закономерности
движения Солнца, Земли и Луны, точно определяли длину солнечного и лунного
года, их взаимосвязь, знали древнейшую семидневную неделю и високосные годы.
9.3. СУТОЧНОЕ ВРАЩЕНИЕ ЗЕМЛИ
Суточное вращение Земли происходит вокруг оси, которая в силу
гироскопического эффекта стремится сохранить постоянное положение в
пространстве. Вращение Земли осуществляется равномерно, однако скорость
вращения испытывает флуктуации. Отрезок времени между последовательными
10
прохождениями плоскости меридиана данной точки через центр Солнца
называют солнечными сутками. Земля вращается против часовой стрелки, если
смотреть с северного полюса (Солнце восходит на востоке и заходит на западе). Ось
вращения, полюсы и экватор являются основой географической системы
координат.
Географические следствия суточного вращения Земли:
 смена дня и ночи – изменение в течение суток положения Солнца относительно
плоскости горизонта данной точки;
 деформация фигуры Земли – сплюснутость с полюсов (полярное сжатие),
связанная с возрастанием центробежной силы от полюсов к экватору;
 существование силы Кориолиса, действующей на движущиеся тела;
 суперпозиция центробежной силы и силы тяготения, дающая силу тяжести.
Центробежная сила растет от нуля на полюсах до максимального значения на
экваторе. В соответствии с уменьшением центробежной силы от экватора к полюсу,
сила тяжести увеличивается в том же направлении и достигает максимума на
полюсе (где она равна силе тяготения).
Механические движения, связанные с вращением Земли
Основу этих движений составляет одна из сил инерции – сила Кориолиса,
обусловленная вращением Земли вокруг своей оси. Она равна произведению массы
точки т на ее поворотное ускорение ак и направлена противоположно этому
ускорению:
Fk  mak  m2[w, vотн ]  2mvотнw sin  ,
где FK – сила Кориолиса; т – масса движущегося тела; vотн – относительная
скорость движения точки; w – угловая скорость вращения Земли; φ – географическая
широта.
На Земле сила Кориолиса проявляется в том, что свободно падающие
тела отклоняются по вертикали к востоку, а тела, движущиеся вдоль земной
поверхности, отклоняются от направления их движения в Северном
полушарии вправо, а в Южном – влево. Вследствие медленного вращения Земли
такие отклонения весьма малы и заметно сказываются или при очень больших
скоростях движения, или когда движение длится очень долго (например, подмыв
соответствующих берегов рек – правые берега рек Северного полушария крутые,
левые – пологие, а в Южном – наоборот).
Действия силы Кориолиса распространяются на многие явления в
географической оболочке. В атмосфере под влиянием отклоняющей силы вращения
Земли ветры умеренных широт обоих полушарий принимают преимущественно
западное направление, а в тропических широтах – восточное. В океане сила
Кориолиса приводит к тому, что частицы воды движутся петлеобразно,
преимущественно перпендикулярно начальному импульсу движения (наклону
уровня воды). Однако морские течения не повторяют направления разгоняющих их
ветров. Под действием силы Кориолиса они смещаются от направления
господствующих ветров под углом 30° вправо или влево в зависимости от
полушария.
11
Движение системы Земля–Луна
Луна создает приливное торможение суточного вращения нашей планеты,
которое имеет большое географическое значение, если рассматривать длительные (в
сотни миллионов лет) отрезки геологического времени. Приливное торможение,
вызывая замедление вращения, уменьшает полярную сплюснутость Земли и силу
Кориолиса, отклоняющую движущиеся массы воздуха и воды, т.е. влияет на
циркуляцию атмосферы и океаносферы, от чего в свою очередь зависят условия
климата.
Полагают,
что
из-за
замедления
суточного
вращения
Земли
продолжительность суток за последний 1 млрд лет возросла на 6 ч. С удлинением
суток за счет действия приливного трения сила Кориолиса уменьшается, однако этот
фактор важен только в вековом аспекте, так как для небольших отрезков времени
угловая скорость принимается постоянной.
Полагают, что взаимодействие Земли и Луны могло быть одним из возможных
факторов первичного разогрева планеты, при условии, что Луна первоначально
была существенно ближе к Земле. Если считать, что расстояние между Луной и
Землей первоначально могло быть в 10 раз меньше современного, то тогда
приливная волна была бы в 100 раз интенсивнее. Поскольку приливная волна
создает в теле Земли и Мировом океане внутреннее трение, происходит выделение
энергии, которой вполне достаточно для расплавления Земли.
Изменения скорости вращения Земли
Неравномерность суточного вращения Земли принято характеризовать
безразмерной величиной – среднемесячным отклонением (δр):
p 
(  )


(T  П )
,
П
где Т – длительность земных суток; П – длительность атомных суток, равная
86400 с; ω = 2π/Т и Ω = 2π/П – угловые скорости, соответствующие земным и
атомным суткам.
Рис. 9.8. Среднемесячные отклонения длительности земных суток от эталонных за
45 лет
12
По данным наблюдений за Луной, Солнцем и планетами, изменения скорости
вращения Земли известны с XVII столетия (точность этого временного ряда очень
низкая). В 1955 г. были введены атомные часы, что позволило вычислять значения
(Т-П) с большей точностью.
Анализ многолетних колебаний различных характеристик выявил наличие в
их изменении периодов, что является следствием существования соответствующего
периода в изменении скорости вращения Земли. Ход среднемесячных значений δР
во времени иллюстрирует рис. 9.8. Очевидно, что с 1956 по 1961 г. вращение Земли
ускорялось, с 1961 по 1972 г. замедлялось и с 1973 по 1988 г. снова ускорялось.
Движение полюсов Земли
В 1765 г. Л. Эйлер теоретически доказал, что если ось вращения не совпадает с
осью фигуры Земли, то должно происходить движение географических полюсов
вокруг полюсов фигуры с периодом 305 звездных суток. В 1891 г. А. Чандлер
опубликовал результаты, из которых следовало, что такой период существует, но
его продолжительность составляет 428 суток. Оказалось, что период в 305 суток
характерен для абсолютно твердой Земли. Поскольку этого нет, то упругие
деформации Земли вызывают увеличение периода с 10 до 14 месяцев. Так как
океаны и материки расположены несимметрично относительно оси вращения Земли,
должно происходить непрерывное изменение момента инерции соответствующих
масс относительно оси вращения. Из законов механики известно, что такого рода
система не может вращаться совершенно спокойно. Если бы ось Земли, подобно
маховому колесу, лежала в неподвижных подшипниках, возникли бы «биения»
такого маховика. Для земного шара, вращающегося без всяких неподвижных
подшипников, законы механики требуют непрерывного смещения самой оси
вращения внутри тела Земли – прецессии (медленное движение оси вращения Земли
по круговому конусу), а следовательно, и перемещения – нутации (колебательное
движение оси) полюсов в пространстве. Эти процессы показаны на рис. 9.9 – 9.10.
Рис. 9.9. Схема движения оси вращения Земли в пространстве
13
Рис. 9.10. Траектория движения полюса за период с 1996 по 2000 г.
Сплошная линия – траектория среднего положения полюса за период с 1890 по 2000
г.
Нутация полюсов имеет важное географическое следствие, поскольку с ней
связаны многие процессы. Вследствие нутации полюсов происходит
перераспределение масс воздуха при смене сезонов. Аналогичные явления
обнаружены и в океаносфере: смещения полюсов Земли через изменения
центробежной силы приводят к деформации водной поверхности и обусловливают
соответствующие изменения наклона уровня Мирового океана, интенсивность
океанических течений, характер взаимодействия между океаном и атмосферой и,
как следствие, изменения атмосферной циркуляции. Этот взаимосвязанный
механизм существует непрерывно и, видимо, играет важную роль в формировании
климата нашей планеты.
14