Движения земли и их географические следствия. Виды движения земли и их последствия

30.09.2019

Земля вращается вокруг оси с запада на восток, т. е. против часовой стрелки, если смотреть на Землю с Полярной звезды (с Северного полюса). При этом угловая скорость вращения, т. е. угол, на который поворачивается любая точка на поверхности Земли, одинаков и составляет 15° за час. Линейная скорость зависит от широты: на экваторе она наибольшая – 464 м/с, а географические полюса неподвижны.

Главным физическим доказательством вращения Земли вокруг оси служит опыт с качающимся маятником Фуко. После того как французский физик Ж. Фуко в 1851 г. в парижском Пантеоне осуществил свой знаменитый опыт, вращение Земли вокруг оси стало непреложной истиной.

Физическим доказательством осевого вращения Земли являются также измерения дуги 1° меридиана, которая у экватора составляет 110,6 км, а у полюсов – 111,7 км. Эти измерения доказывают сжатие Земли у полюсов, а оно свойственно лишь вращающимся телам. И наконец, третье доказательство – отклонение падающих тел от отвесной линии на всех широтах, кроме полюсов. Причина этого отклонения обусловлена сохранением ими по инерции большей линейной скорости точки А (на высоте) по сравнению с точкой В (у земной поверхности). Падая, предметы отклоняются на Земле к востоку потому, что она вращается с запада на восток. Величина отклонения максимальна на экваторе. На полюсах тела падают вертикально, не отклоняясь от направления земной оси.

Географическое значение осевого вращения Земли исключительно велико. Прежде всего оно влияет на фигуру Земли. Сжатие Земли у полюсов – результат ее осевого вращения. Раньше, когда Земля вращалась с большей угловой скоростью, полярное сжатие было значительнее. Удлинение суток и, как следствие, уменьшение экваториального радиуса и увеличение полярного сопровождается тектоническими деформациями земной коры (разломы, складки) и перестройкой макрорельефа Земли.

Важным следствием осевого вращения Земли является отклонение тел движущихся в горизонтальной плоскости (ветров, рек, морских течений и др.), от их первоначального направления: в северном полушарии – вправо, в южном – влево (это одна из сил инерции, названная ускорением Кориолиса в честь французского ученого, который первым объяснил это явление). По закону инерции каждое движущееся тело стремится сохранить неизменными направление и скорость своего движения в мировом пространстве.

Отклонение – результат того, что тело участвует одновременно как в поступательном, так и во вращательном движениях. На экваторе, где меридианы параллельны друг другу, направление их в мировом пространстве при вращении не меняется и отклонение равно нулю. К полюсам отклонение нарастает и становится у полюсов наибольшим, поскольку там каждый меридиан за сутки изменяет свое направление в пространстве на 360°. Сила Кориолиса вычисляется по формуле F=m*2w*v*sinj, где F – сила Кориолиса, m –масса движущегося тела, w – угловая скорость, v –скорость движущегося тела, j – географическая широта. Проявление силы Кориолиса в природных процессах весьма многообразно. Именно из-за нее в атмосфере возникают вихри разного масштаба, в том числе циклоны и антициклоны, отклоняются от градиентного направления ветры и морские течения, оказывая влияние на климат и через него на природную зональность и региональность; с ней связана асимметрия крупных речных долин: в северном полушарии у многих рек (Днепр, Волга и др.) по этой причине правые берега крутые, левые – пологие, а в южном – наоборот.

С вращением Земли связана естественная единица измерения времени – сутки и происходит смена дня и ночи. Сутки бывают звездные и солнечные. Звездные сутки – промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями звезды через меридиан точки наблюдения. За звездные сутки Земля совершает полный оборот вокруг своей оси. Они равны 23 ч 56 мин 4 с. Звездные сутки используются при астрономических наблюдениях. Истинные солнечные сутки – промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями центра Солнца через меридиан точки наблюдения. Продолжительность истинных солнечных суток изменяется в течение года прежде всего из-за неравномерного движения Земли по эллиптической орбите. Следовательно, они также неудобны для измерения времени. В практических целях пользуются средними солнечными сутками. Среднее солнечное время измеряют по так называемому среднему Солнцу – воображаемой точке, равномерно перемещающейся по эклиптике и совершающей полный оборот за год, как и истинное Солнце. Средние солнечные сутки равны 24 ч. Они длиннее звездных, так как Земля вращается вокруг оси в том же направлении, в котором движется по орбите вокруг Солнца с угловой скоростью около 1° в сутки. Из-за этого Солнце смещается на фоне звезд, и Земле нужно еще «довернуться» примерно на 1°, чтобы Солнце «пришло» на тот же самый меридиан. Таким образом, за солнечные сутки Земля совершает оборот примерно на 361°. Для перевода истинного солнечного времени в среднее солнечное время вводится поправка – так называемое уравнение времени. Его максимальное положительное значение +14 мин 11 февраля, наибольшее отрицательное -16 мин 3 ноября. За начало средних солнечных суток принимают момент нижней кульминации среднего Солнца – полночь. Такой счет времени называют гражданским временем.

Земля вращается запада на восток против часовой стрелки, совершая полный оборот за сутки. Средняя угловая скорость вращения, т.е угол, на который смещается точка на земной поверхности, для всех широт одинакова и составляет 15 ° за 1 час. Линейная скорость, т.е путь,проходимый точкой в единице времени,зависит от широты места. Географические полюсы не вращаются, там скорость равна нулю. На экваторе точка проходит наибольший путь и имеет наибольшую скорость 455м/с. Скорость на одном меридиане разная, на одной параллели одинаковая.

Доказательством вращения Земли является фигура самой планеты, наличие сжатия земного эллипсоида. Сжатие возникает при участии центробежной силы, развивающейся в свою очередь на вращающейся планете. Любая точка на Земле находится под воздействием земного притяжения и центробежной силы. Равнодействующая этих сил направлена к экватору, оттого Земля в экваториальном поясе выпукла, у полюсов имеет сжатие.

К географическим следствиям осевого вращения Земли относятся возникновение силы Кориолиса, суточный ритм в географической оболочке.

Приливные выступы, образованные в теле Земли (в литосфере, океаносфере и атмосфере) притяжением Луны и Солнца, превращаются в приливную волну, которая обходит кругом земного шара, перемещаясь навстречу его вращению, т. е. с востока на запад. Прохождение гребня волны через какое-нибудь место создает здесь прилив, прохождение впадины -- отлив. В течение лунных суток (24 час. 50 мин.) бывает два прилива и два отлива.

Наибольшее географическое значение имеют морские приливы и отливы: они приводят к правильно чередующимся затоплениям и осушениям низменных побережий, подпору воды в низовьях рек и возникновению приливо-отливных течений. Средняя высота прилива в открытом океане около 20 см, колебания уровня моря у берегов, зависящие от приливов и отливов, несколько больше, но обычно не превышают 2 м, хотя в отдельных случаях доходят до 13 м (Пенжинская губа) и даже до 18 м (залив Фанди).

Важным следствием осевого вращения Земли является кажущееся отклонение тел, движущихся в горизонтальном направлении, от направления их движения. По закону инерции, всякое движущееся тело стремится сохранить направление (и скорость) своего движения относительно Мирового пространства. Если движение происходит относительно перемещающейся поверхности, например вращающейся Земли, наблюдателю на Земле кажется, что тело отклонилось. В действительности тело продолжает двигаться в заданном направлении.

Сила Кориолиса возрастает от экватора к полюсам, она способствует образованию атмосферных вихрей, оказывает влияние на отклонение морских течений, благодаря ей подмываются правые берега рек в Северном полушарии левые берега -в Южном полушарии.

В районах, удаленных от экватора, наиболее важной для вполне установившегося движения воздуха является чаще всего сила Кориолиса. Рассмотрим частицу воздуха в северном полушарии, двигающуюся из области высокого давления в область низкого давления благодаря силе градиента давления. Предположим, что изобары представляют собой прямые линии, а трение отсутствует.

Рис.3.4

Сила Кориолиса будет поворачивать частицу воздуха вправо, а сумма силы градиента давления (СГД) и силы Кориолиса (СК) будет увеличивать скорость. По мере возрастания скорости частицы сила Кориолиса, пропорциональная скорости и, также будет возрастать, а значит, будет возрастать и ее отклоняющее действие. В точке, где частица начинает двигаться перпендикулярно СГД, СК и СГД действуют в противоположных направлениях, и результирующая сила будет зависеть от того, какая из них окажется больше. Если это СГД, ускорение будет направлено влево от движения, возрастет скорость и возрастет и сила Кориолиса, что заставит частицу сместиться в обратном направлении. Если большей окажется сила Кориолиса, она заставит частицу отклониться больше вправо, ее скорость уменьшится, а значит, уменьшится сила Кориолиса, что вынудит частицу вернуться назад. В результате может установиться равновесие, если СГД остается постоянной в течение всего времени, пока частица движется перпендикулярно ей, а СК в точности равна ей по величине и противоположна по направлению. В этом случае частица не испытывает ускорения, и движение называют геострофическим. Соответствующий ветер дует параллельно изобарам так что в северном полушарии область высокого давления остается справа от него. В южном полушарии, наоборот, область высокого давления остается слева. Эти утверждения составляют суть сформулированного в XIX в. закона Бейс-Балло, который гласит: если стать лицом к ветру в северном полушарии, то низкое давление будет справа от вас, в южном - слева от вас.

Суточное вращение Земли неравномерно: в августе оно быстрее, в марте -- медленнее (разность в длине суток при этом около 0,0025 сек.). Периодические его изменения связаны с сезонными переменами циркуляции атмосферы, смещением центров высокого и низкого атмосферного давления; например, зимой избыточное давление холодных масс воздуха на Евразию составляет 5 10 12 т, летом вся эта масса возвращается на океан. Колебания скачкообразные, нерегулярные (вследствие которых продолжительность суток может измениться до 0,0034 сек.) стимулируются перемещением масс внутри Земли. Приближение масс к оси вращения или удаление их от оси влечет соответственно ускорение или замедление суточного вращения. Пульсации скорости вращения Земли могут быть вызваны и климатическими изменениями, влекущими за собой перераспределение водных масс на поверхности, например переход значительной части гидросферы в твердую фазу.

Наиболее интересен, однако, вековой ход изменения скорости вращения. Эффект торможения этой скорости приливной волной, бегущей навстречу вращению Земли, оказывается сильнее эффекта увеличения скорости от гравитационного сжатия и уплотнения внутренних частей планеты. В результате, продолжительность суток на Земле возрастает каждые 40 000 лет на 1 с. (по другим данным--на 0,64 с. за тот же период).

Эти величины следует иметь в виду при палеогеографических построениях. Если взять первое значение (1 с. в 40 000 лет), легко подсчитать, что 500 млн. лет назад, т. е. на рубеже кембрия и ордовика, сутки были немногим длиннее 20 час, а 1 млрд. лет назад (в протерозое) --17 час. В последнем случае субтропические максимумы атмосферного давления, лежащие ныне на широтах ±32°, должны были располагаться на параллелях ±22°, т. е. быть тропическим максимумом, со всеми вытекающими отсюда последствиями для общего характера атмосферной циркуляции на Земле. Через 1 млрд лет продолжительность суток возрастет до 31 час (т.к в году останется только 283 дня). В конце концов вследствие приливного торможения Земля окажется повернутой к Луне всё время одной стороной, как это уже произошло с Луной по отношению к Земле, и земные сутки станут равными лунному месяцу.

Еще во II веке до н.э. греческий астроном Гиппарх обнаружил, что точка весеннего равноденствия медленно перемещается относительно звезд навстречу годичному движению Солнца. Благодаря тому, что равноденствие наступает раньше, чем Солнце совершает полный оборот по эклиптике, явление получило название предварения равноденствий или прецессии. Величина этого смещения за год называется постоянной прецессии и по современным данным составляет около 50".

Прецессионное движение земной оси в основном вызвано притяжением Луны и Солнца. Если бы Земля была шаром, то он притягивался бы Луной и Солнцем силами, приложенными к его центру. Но поскольку Земля сплюснута к полюсам, то на экваториальную выпуклость будет действовать сила, стремящаяся повернуть Землю таким образом, чтобы ее экваториальная плоскость проходила через притягивающее тело. Из-за действия этой силы создается опрокидывающий момент. Солнце в течении года дважды отходит от плоскости земного экватора на угол е ~ 23°26", а удаление Луны дважды в месяц может достигать 28°36". Однако сравнительно быстрое осевое вращение Земли создает гироскопический эффект, благодаря которому отклонение происходит в направлении, перпендикулярном действующей силе. Подобный эффект наблюдается у вращающегося гироскопа -- при действии внешней силы его ось начинает описывать в пространстве конус, тем более узкий, чем быстрее вращение.

Рис.3.5Схема образования опрокидывающего момента, действующего на Землю со стороны Солнца и Луны. Силы, действующие на экваториальную выпуклость (в точках А и В), разложены на компоненты, параллельные направлению на возмущающее тело из центра Земли О, и компоненты, перпендикулярные плоскости земного экватора (AA" и BB"). Последние и выступают в роли опрокидывающих сил

В отношении Земли в роли основной внешней силы выступает притяжение Солнца, которое и вызывает основную часть смещения земной оси с периодом 26 000 лет. Поскольку период вращения узлов орбиты Луны составляет 18.6 лет, то с таким же периодом меняются и пределы изменения угла отклонения Луны от плоскости земного экватора, что и проявляется в виде нутаций с тем же периодом. Величину прецессии и нутации можно было бы вычислить теоретически, но для этого не хватает данных о распределении масс внутри Земли, и поэтому ее приходится определять из наблюдений положений звезд в разные эпохи.

От угловой скорости вращения зависит "прочность" нашей планеты. Центробежная сила на экваторе составляет 1/289 силы земного притяжения. При ускорении вращения Земли в 17 раз центробежная сила увеличилась бы в 17 2 =289 раз, тела на экваторе потеряли бы свою тяжесть и мог бы произойти отрыв от Земли части вещества. Очевидно, Земля застрахована от подобной судьбы своим 17-кратным запасом прочности, которая к тому же постепенно растет из-за уменьшения скорости вращения и, следовательно, ослабления центробежной силы.

Смена дня и ночи создает суточный ритм в географической оболочке, он проявляется в живой и неживой природе: в суточном ходе всех метеорологических элементов -- температуре, влажнели, давлении; таяние горных ледников происходит днем; фотосинтез происходит днем, на свету, многие растения раскрывается в разные часы суток. Человек тоже живет по часам; в определенные часы у него падает работоспособность, Повышается температура тела и давление.

Период обращения Луны на орбите - около 28 дней, за это время она возвращается в прежнее место. А что при этом происходит у нас под ногами? Все знают о морских приливах и отливах. Вода притягивается гравитационной силой Луны, и такая волна следует по поверхности морей и океанов вслед за Луной. Но ведь гравитация действует отдельно на каждый атом и молекулу, притягивая их. Просто на воде это виднее из-за её однородности в огромных масштабах и текучести. Каждая частца нашего организма тоже испытывает приливы и отливы гравитационной силы. Жидкая кровь особенно. И все циклы жизнедеятельности организма привязаны к периоду обращения Луны. Предполагают, что Луна специфически влияет на состояние вегетативной нервной системы и на такие важные структуры головного мозга, как мозжечок, гипоталамус, эпифиз. Отмечают, что при полнолунии возрастают работоспособность человека и возбудимость его нервной системы, повышается раздражительность, а при новолунии наблюдается обратная картина (слабость, снижение активности, творческих сил и способностей) и как следствие этого прослеживается связь настроения людей со сменой лунных фаз.

Частицы твёрдой Земли тоже испытывают циклическое воздействие гравитационной силы. Если текучая вода притягивается к Луне на несколько метров, то твёрдая земля растягивается по направлению к Луне на полметра и на несколько сантиметров вбок.

На северном полюсе Земли Солнце приблизительно полгода бывает незаходящим, а полгода -- невосходящим светилом. Около 21 марта Солнце здесь появляется над горизонтом (восходит) и вследствие суточного вращения небесной сферы описывает кривые, близкие к окружности и почти параллельные горизонту, поднимаясь с каждым днем все выше и выше. В день летнего солнцестояния (около 22 июня) Солнце достигает максимальной высоты h max = + 23° 27". После этого Солнце начинает приближаться к горизонту, высота его постепенно уменьшается и после дня осеннего равноденствия (после 23 сентября) оно скрывается под горизонтом (заходит). День, длившийся полгода, кончается и начинается ночь, которая длится также полгода. Солнце, продолжая описывать кривые, почти параллельные горизонту, но под ним, опускается все ниже и ниже, В день зимнего солнцестояния (около 22 декабря) оно опустится под горизонт на высоту hmin = - 23° 27", а затем снова начнет приближаться к горизонту, высота его будет увеличиваться, и перед днем весеннего равноденствия Солнце снова появится над горизонтом. Для наблюдателя на южном полюсе Земли (j = - 90°) суточное движение Солнца происходит подобным же образом. Только здесь Солнце восходит 23 сентября, а заходит после 21 марта, и поэтому когда на северном полюсе Земли ночь, на южном -- день, и наоборот.

Форма Земли зависит от размеров планеты, распределения в ней плотностей и от скорости осевого вращения. Ни один из этих факторов нельзя назвать стабильным.

Вследствие глубинного сжатия Земли радиус ее сокращается примерно на 5 см в столетие, значит, делается меньше и объем Земли. Однако это вековое уменьшение носит пульсирующий характер, потому что его на время прерывают периоды расширения Земли, вызываемые огромным количеством тепла, освобождаемого сокращением радиуса.

Описанные выше процессы отражаются и на скорости вращения Земли: при укорочении радиуса эта скорость возрастает, при удлинении -- замедляется. Следовательно, при вековой тенденции к уменьшению объема планеты вековая тенденция изменения скорости ее вращения должна идти в сторону ускорения этого вращения. Но так как в дело вмешивается еще один (и притом весьма мощный) фактор -- приливное торможение, то в конечном итоге скорость вращения Земли систематически становится меньше. А это означает ослабление в вековой перспективе полярного сжатия Земли.

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.

Виды движений Земли. Земля, как и другие планеты Солнечной системы одновременно участвует в нескольких видах движений. Главными, из которых являются - суточное вращение вокруг своей оси и годовое движение по орбите вокруг Солнца.

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. 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 (в честь французского ученого, открывшего это явление в 1835 году). 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).

Значение астрономического положения Земли для ее природы:

1. Вследствие осевого и орбитального вращения Земли все природные процессы имеют свои ритмы.

2. Температурный режим Земли благоприятный.

3. Спутник Земли – Луна вызывает приливы и отливы.

Все планеты движутся во Вселенной. Эти движения обусловлены разными физическими воздействиями на космические тела и имеют сложную природу. Земля также совершает множество движений, которые можно проанализировать и разложить на разные составляющие.

Эти движения можно классифицировать в масштабах:

Вселенной;
Галактики;
Солнечной системы;
общего с Луной центра масс;
Земли.

Галактика, в которой находится Солнечная система, называется Млечный путь. Учёные предполагают, что эта галактика вращается вокруг центра Вселенной вместе с другими галактиками. Вокруг центра Млечного пути вращается Солнечная система со всеми объектами, в том числе с Землёй, и этот путь она совершает за один галактический год, который составляет примерно 230 миллионов лет.

При переходе на ещё меньший масштаб , обнаружится, что наша планета совершает путь вокруг Солнца. Кроме того, Земля вместе с Луной вращаются вокруг их общего центра масс, который находится не в центре земного шара, а близко к его поверхности. Из-за этого наша планета по орбите движется по слегка спиралевидному пути, если наблюдать со стороны, а не с Земли. Все эти виды движений незаметны или малозаметны для землян.

Скорость вращения

Можно сказать, что вращение тела обладает двумя скоростями , в зависимости от того, какой системой измерений пользоваться:

линейной;
угловой.

Если измерять скорость вращения как расстояние, которое проходит точка за определённое время, то чем дальше точка расположена от воображаемой оси вращения, тем выше у неё будет скорость. И чем точка ближе к оси, тем ниже её скорость. Эта скорость называется линейной. В точках оси - скорость равна нулю.

Но если скорость вращения измерять в градусах, то любая точка на поверхности тела или внутри него будет двигаться с одинаковой скоростью, независимо от того, далеко она расположена от оси или близко. Скорость вращения, измеряемая в градусах, называется угловой.

Можно измерять скорость вращения Земли с помощью наблюдения за перемещением двух предметов на поверхности, находящихся на одном меридиане, но в разных широтах. Допустим, предмет, А будет на экваторе, а предмет Б - в северной широте. Вследствие этого обнаружится, что предмет, А относительно оси планеты проделал расстояние за единицу времени большее, чем предмет Б. Это значит, что предмет, А двигался быстрее предмета Б.

Но если измерять угловую скорость в градусах по одним и тем же предметам или меткам, то угловая скорость у них будет одинаковой, так как они повернутся относительно оси планеты на один и тот же угол за определённый отрезок времени. Для исследования многих природных явлений, таких как, например, сила Кориолиса, необходимо использовать линейный способ измерения скорости вращения.

У Земли максимальной линейной скоростью вращения будет обладать поверхность в районе экватора, и эта скорость составляет 465 м/с или 1674 км/час. Чем ближе точка на поверхности земного шара к любому из полюсов, тем ниже будет скорость. На полюсах линейная скорость вращения равна нулю, так как эти точки находятся на воображаемой оси.

Смена времени суток

Самым заметным для жителей Земли обстоятельством и основным географическим следствием осевого вращения нашей планеты является смена времён суток, а для землян, живущих на определённом расстоянии от экватора - ещё и времён года.

День и ночь сменяются потому , что параллельные лучи света от Солнца одновременно падают только на одну сторону планеты. Противоположная сторона Земли находится в тени. Это значит, что на повёрнутой к светилу стороне будет день, а на обратной - ночь. Если бы земной шар постоянно был повёрнут только одной стороной к Солнцу, то на освещённой стороне была бы температура около +100° C, вся вода должна была бы испариться, а на тёмной стороне поверхность планеты была бы под слоем льда. Условия на обеих сторонах Земли в этом случае были бы непригодны для жизни.

Вследствие ритмичности смены дня и ночи, времён года, а, значит, световых и температурных режимов, на Земле всё живое подчиняется определённым биоритмам . При этом ритмическим изменениям подвержены не только все растения и животные, но и неживая природа.

Земля вращается по своей оси против часовой стрелки, если смотреть со стороны Полярной звезды, а именно - с северной стороны. А если точка наблюдения - со стороны экватора, когда Северный полюс вверху, то планета вращается слева направо или с запада на восток.

В связи с вращением Земли вокруг оси, используется понятие суток. Но сутки бывают разными:

звёздными;
солнечными;
средними солнечными.

Звёздные сутки используются для астрономических исследований и наблюдений. Солнечные сутки - это период вращения Земли вокруг своей оси относительно Солнца. Они могут отличаться по продолжительности, поэтому для измерения времени в повседневной жизни используются средние солнечные сутки, которые длятся 24 средних солнечных часа и длиннее звёздных суток на 4 минуты.

Часовые пояса

С развитием коммуникаций между разными частями света, для удобства и безопасности были придуманы часовые пояса. Больше всего такая унификация была востребована с целью исключения путаницы и аварий на железной дороге.

Точное измерение времени с помощью часовых поясов стали использовать в 19-м веке. Первым, кому эта идея пришла в голову, был английский доктор Уильям Хайд Волластон. Земную поверхность условно разбили на 24 сектора, перпендикулярных экватору, каждый из которых составляет 15 градусов, а все вместе они определяют суточный цикл. Каждому поясу присвоено своё время (с разницей от соседнего в один час). При этом, чем западнее расположен пояс, тем больше отстаёт время.

При несовпадении границ часового пояса с государственными или административными очертаниями, их для удобства подстраивают под местность. Поэтому границы часовых поясов не всегда прямые. Их отсчёт начинается с нулевого, расположенного на Гринвичском меридиане . Этот пояс указывает всемирное время.

Смена времён года

Ось Земли относительно плоскости орбиты, по которой планета движется вокруг Солнца, находится не перпендикулярно, а под углом. Из-за этого на поверхность планеты в разных её участках попадает неравномерное количество тепла от Солнца.

Когда Земля находится на орбите по одну сторону от Солнца, она наклонена осью так, что обращена к светилу Северным полюсом, но, переместившись по орбите на противоположную сторону от Солнца, планета будет наклонена Южным полюсом. Это означает, что, в первом случае, лето будет в Северном полушарии, а в Южном - зима. Во втором случае, в Северном полушарии будет зима, а в Южном - лето. В промежуточных положениях Земли на орбите на её полушариях будут осень и весна.

Если бы ось Земли была перпендикулярна плоскости её орбиты, то времён года не было бы, так как Северное и Южное полушария всегда получали бы днём одинаковую порцию света и тепла.

Отклонение падающих тел

Все объекты, находящиеся на поверхности Земли, двигаются вместе с ней на одинаковой линейной скорости, вызванной вращением планеты вокруг своей оси. Чем дальше от оси будет предмет, двигающийся вместе с планетой, тем выше будет его скорость. Чем выше над поверхностью объект, тем с большей линейной скоростью он движется вместе с Землёй вокруг её оси.

Предметы, брошенные с большой высоты, изначально двигаются вместе с Землёй и падают на землю, слегка сместившись на восток. Это происходит по причине инерции , которую сохраняет брошенный с высоты предмет. Он сохраняет скорость, которая у него была на высоте. Эта скорость всегда выше, чем на поверхности Земли. Во время падения эта скорость, направленная на восток, перпендикулярна скорости падения.

В итоге предмет падает не вертикально, а чуть восточнее. На полюсах этого эффекта не будет, по причине отсутствия линейной скорости движения. Самолёт или другой летательный аппарат не годятся для проведения такого опыта, так как они не жёстко связаны с поверхностью земли и двигаются с ней не синхронно. Для этого лучше подойдут вышка или высокое здание.

Маятник Фуко

Этот эксперимент - простейший и наглядный тест на осевое вращение Земли.

По закону физики, плоскость траектории качающегося маятника находится всегда в одном положении по отношению к Мировому пространству. Но, если проследить за маятником в течение суток, станет очевидно, что направления его качаний постоянно меняются. Это происходит по причине вращения планеты вокруг собственной оси.

Этот маятник впервые использовал в своём эксперименте французский учёный Жан Фуко, в честь которого и был назван инструмент.

Сжатие Земли с полюсов

Во время вращения возникает центробежная сила, что не представляет исключения в случае с планетами. Таким образом, под действием центробежной силы , действующей перпендикулярно оси особенно сильно в районе экватора, наша планета в течение долгого времени приобрела форму эллипсоида (шара, сплюснутого с полюсов).

Влияние гравитации Луны

Естественный спутник Земли оказывает влияние не только на земную поверхность, но и на слои, пролегающие под ней. Это происходит под действием силы тяготения или гравитации. Больше всего гравитация Луны видна на поверхности Мирового океана. Земная вода притягивается спутником и образует волну, которая следует за Луной. Спутник движется вокруг Земли в противоположном направлении вращению нашей планеты по оси. И, так как вращение земного шара вокруг оси быстрее движения спутника вокруг Земли, приливная волна движется не с востока на запад , как движется Луна, а с запада на восток.

Эта противоположность движений способствует постепенному замедлению вращения обоих небесных тел. Луна всегда расположена по отношению к Земле одной стороной. Учёные утверждают, что в далёком будущем это же произойдёт и с нашей планетой, то есть оба небесных тела будут направлены по отношению друг к другу одной из своих сторон и продолжат вращаться вокруг своего общего центра масс.

Сила Кориолиса

Тело, совершающее прямолинейное движение во вращающейся среде, отклоняется в сторону, относительно этой среды. Такая вращающаяся среда называется неинерциальной системой координат. Подобной системой является Земля. Если среда вращается по часовой стрелке, то тело, движущееся в данной системе, будет отклоняться влево, относительно среды. При вращении неинерциальной системы против часовой стрелки, тело отклоняется вправо.

На примере это будет выглядеть так: если из пушки, которая находится на Северном полюсе, выстрелить ядром в направлении экватора, то для наблюдателя, находящегося на Земле, ядро начнёт постепенно отклоняться вправо. Это происходит потому, что планета двигается, вращаясь вокруг оси, и, пока ядро летит, она успевает повернуться. Если наблюдатель находится не на Земле, то есть не движется вместе с ней, то движение ядра будет прямолинейным.

В Южном полушарии подобное отклонение движущихся тел будет происходить влево, так как, если смотреть со стороны Южного полюса, планета вращается вокруг оси по часовой стрелке.

Этот эффект называется силой Кориолиса . Он назван по имени французского учёного, открывшего феномен. Примечательно то, что этот принцип действует при любом направлении тела по земной поверхности. Если стрельнуть ядром из пушки, стоящей на экваторе, в сторону Северного полюса, то снаряд для наблюдателя, находящегося на Земле, будет отклоняться вправо, точно так же, как при обратном направлении, то есть при стрельбе с Северного полюса на экватор.

При стрельбе с экватора на Южный полюс, снаряд отклонится влево, как при стрельбе с Южного полюса на экватор. Этот эффект наблюдается, благодаря инерции ядра, направленной в сторону вращения планеты. В начале движения снаряд находился на экваторе (в земной точке с самой высокой скоростью, возникающей вследствие осевого вращения). По мере движения ядра к полюсу, оно пролетает над точками земной поверхности, которые движутся медленнее экватора, а, значит, и бокового движения ядра, сохраняющегося из-за инерции. Таким образом, ядро постепенно «обгоняет» земную поверхность в боковом направлении и отклоняется в сторону.

Сила Кориолиса всегда действует перпендикулярно движению предмета. Эта сила действует не только на тела, движущиеся по направлению меридианов, но и в любых других направлениях, независимо от того, в какую сторону происходит движение.

Силу Кориолиса не совсем корректно называть силой, так как она, на самом деле, сама по себе никуда никого не тянет. Этот эффект строго относителен и существует только в неинерциальной системе.

А вот последствия этого эффекта вполне ощутимы. Например, вследствие силы Кориолиса, на планете образуются циклоны. Воздух из зон высокого давления стремится в области с низким давлением и сила Кориолиса отклоняет воздушные массы относительно движущейся поверхности вправо или влево, в зависимости от полушария. Поэтому циклоны закручиваются против часовой стрелки в Северном полушарии, а в Южном - по часовой.

Сила Кориолиса действует на реки и их русла. В Северном полушарии обычно правые берега рек более крутые и подмыты водой, которая утягивается вращающейся планетой вправо, в Южном - наоборот, левые.

На железнодорожные рельсы также оказывает воздействие данная сила. Правые рельсы одноколейных дорог в Северном полушарии будут изнашиваться больше, так как поезд утягивает вправо. В Южном полушарии больше изнашиваются левые рельсы.

Таковы общие следствия вращения нашей планеты вокруг оси, которые, в свою очередь, влияют на огромное количество обстоятельств и событий как на Земле, так и вокруг неё. Аналогичная тема раскрывается в учебнике по географии «Осевое вращение земли» 5 класс.