Для наблюдателя, находящегося в Северном полушарии, например, в европейской части России, Солнце привычно восходит на востоке и поднимается к югу, занимая в полдень самую высокую позицию на небосклоне, затем клонится к западу и скрывается за линией горизонта. Данное движение Солнца является лишь видимым и вызвано вращением Земли вокруг своей оси. Если смотреть на Землю сверху в направлении Северного полюса, то она будет вращаться против часовой стрелки. Солнце при этом находится на месте, видимость его движения создается за счет вращения Земли.
Годовое вращение Земли
Вокруг Солнца Земля также вращается против часовой стрелки: если смотреть на планету сверху, со стороны Северного полюса. Так как земная ось имеет наклон относительно плоскости вращения, по мере вращения Земли вокруг Солнца она освещает ее неравномерно. На одни области солнечного света попадает больше, на другие – меньше. Благодаря этому происходит смена времен года и изменение продолжительности дня.
Весеннее и осеннее равноденствие
Дважды в год, 21 марта и 23 сентября, Солнце одинаково освещает Северное и Южное полушария. Эти моменты известны как и осеннее равноденствие. В марте в Северном полушарии начинается , в Южном – осень. В сентябре, наоборот, в Северное полушарие приходит осень, а в Южное – весна.
Летнее и зимнее солнцестояние
В Северном полушарии 22 июня Солнце выше всего поднимается над горизонтом. День имеет самую большую продолжительность, а ночь в эти сутки самая короткая. Зимнее солнцестояние происходит 22 декабря – день имеет самую короткую продолжительность, а ночь максимально длинная. В Южном полушарии все происходит наоборот.
Полярная ночь
Из-за наклона земной оси полярные и приполярные области Северного полушария в зимние месяцы оказываются без солнечного света – Солнце вообще не поднимается над горизонтом. Это явление известно как полярная ночь. Аналогичная полярная ночь существует и для приполярных областей Южного полушария, разница между ними составляет ровно полгода.
Что дает Земле ее вращение вокруг Солнца
Планеты не могут не вращаться вокруг своих светил – в противном случае они бы просто были притянуты и сгорели. Уникальность Земли заключается в том, что наклон ее оси в 23,44о оказался оптимален для возникновения всего многообразия жизни на планете.
Именно благодаря наклону оси происходит смена времен года, существуют разные климатические зоны, обеспечившие многообразие земной флоры и фауны. Изменение нагрева земной поверхности обеспечивает движение воздушных масс, а значит, и выпадение осадков в виде дождя и снега.
Расстояние от Земли до Солнца в 149 600 000 км также оказалось оптимальным. Немного дальше, и вода бы на Земле находилась только в виде льда. Немного ближе, и температура была бы уже слишком высока. Само возникновение жизни на Земле и многообразие ее форм стало возможно именно благодаря уникальному совпадению такого множества факторов.
Среднее расстояние от Земли до Солнца равно приблизительно 150 миллионам километров. Но так как вращение Земли вокруг Солнца происходит не по окружности, а по эллипсу, то в разное время года Земля бывает или немного дальше от Солнца, или немного ближе к нему.
На этом настоящем фото, сделанном с помощью замедленной съемки мы видим, какой путь проделывает Земля за 20-30 мнут относительно других планет и галактик, вращаясь вокруг своей оси.
Смена времен года
Известно, что летом, в самое жаркое время года – в июне, Земля находится примерно на 5 миллионов километров дальше от Солнца, чем зимой, в самое холодное время года – в декабре. Следовательно, смена времен года происходит не потому, что Земля находится дальше или ближе к Солнцу, а другой причине.
Земля при своём поступательном движении вокруг Солнца сохраняет постоянно одно и то же направление своей оси. А при поступательном вращении Земли вокруг Солнца по орбите, эта воображаемая земная ось всё время наклонена к плоскости земной орбиты. Причиной смены времён года является именно то, что ось Земли наклонена к плоскости земной орбиты всегда одинаково.
Поэтому 22 июня, когда в нашем полушарии бывает самый длинный день в году, Солнце освещает и Северный полюс, а Южный полюс остаётся во тьме, так как солнечные лучи его не освещают. Когда в Северном полушарии лето здесь длинные дни и короткие ночи, в Южном полушарии, наоборот, бывают длинные ночи и короткие дни. Там, следовательно, зима, там лучи падают «косо» и имеют малую теплотворность.
Временные различия дня и ночи
Известно, что смена дня и ночи происходит в результате вращения Земли вокруг своей оси, (подробнее: ). А временные различия дня и ночи зависят от вращения Земли вокруг Солнца. Зимой, 22 декабря, когда в Северном полушарии наступает самая длинная ночь и самый короткий день, Северный полюс Солнцем не освещается совершенно, он находится «во тьме», а Южный полюс освещен. Зимой, как известно, у жителей Северного полушария длинные ночи и короткие дни.
21–22 марта день бывает равен ночи, наступает весеннее равноденствие ; такое же равноденствие – уже осеннее – бывает и 23 сентября. В эти дни Земля занимает такое положение на своей орбите относительно Солнца, что солнечные лучи одновременно освещают и Северный и Южный полюсы, а на экватор они падают отвесно (Солнце стоит в зените). Поэтому 21 марта и 23 сентября любая точка поверхности земного шара в течение 12 часов освещается Солнцем и в течение 12 часов находится во тьме: на всём земном шаре день равен ночи .
Климатические пояса Земли
Вращением Земли вокруг Солнца объясняется и существование различных климатических поясов Земли . Вследствие того, что Земля имеет шарообразную форму и её воображаемая ось наклонена к плоскости земной орбиты всегда под одним и тем же углом, различные части земной поверхности по-разному обогреваются и освещаются солнечными лучами. Они падают на отдельные области поверхности земного шара под различным углом наклона, и вследствие этого их теплотворность в различных зонах поверхности Земли не одинакова. Когда Солнце – низко над горизонтом (например, вечером) и его лучи падают на земную поверхность под небольшим углом, они греют очень слабо. Наоборот, когда Солнце – высоко над горизонтом (например, в полдень), его лучи падают на Землю под большим углом, и их теплотворность увеличивается.
Там, где Солнце в некоторые дни бывает в зените и его лучи падают почти отвесно, находится так называемый жаркий пояс . В этих местах животные приспособились к жаркому климату (например, обезьяны, слоны и жирафы); там растут высокие пальмы, бананы, зреют ананасы; там под сенью тропического Солнца, широко раскинув свою крону, стоят гигантской величины деревья баобабы, толщина которых в обхвате достигает 20 метров.
Там, где Солнце никогда не поднимается высоко над горизонтом, находятся два холодных пояса с бедной флорой и фауной. Здесь животный и растительный мир однообразен; большие пространства почти лишены растительности. Снега покрывают необозримые просторы. Между жарким и холодным поясами находятся два умеренных пояса , которые занимают наибольшие пространства поверхности земного шара.
Вращением Земли вокруг Солнца объясняется существование пяти климатических поясов : один жаркий, два умеренных и два холодных.
Жаркий пояс находится возле экватора, и его условными границами являются северный тропик (тропик Рака) и южный тропик (тропик Козерога). Условными границами холодных поясов служат северный и южный полярные круги. Полярные ночи продолжаются там почти 6 месяцев. Такой же продолжительности бывают и дни. Резкой границы между тепловыми поясами, нет, а существует постепенное уменьшение тепла от экватора к Южному и Северному полюсам.
Вокруг Северного и Южного полюсов громадные пространства заняты сплошными ледяными полями. В океанах, омывающих эти негостеприимные берега, плавают колоссальные айсберги, (подробнее: ).
Исследователи Северного и Южного полюса
Достичь Северного или Южного полюса давно было дерзновенной мечтой человека. Смелые и неутомимые исследователи Арктики не раз делали эти попытки.
Таким был и русский исследователь Георгия Яковлевича Седов, который в 1912 году организовал экспедицию к Северному полюсу на судне «Св. Фока». Царское правительство отнеслось равнодушно к этому большому предприятию и не оказало надлежащей поддержки смелому моряку и опытному путешественнику. Первую зиму из-за недостатка средств Г. Седов вынужден был провести на Новой Земле, а вторую на . В 1914 году Седов вместе с двумя спутниками предпринял, наконец, последнюю попытку дойти до Северного полюса, но состояние здоровья и силы изменили этому дерзновенному человеку, и в марте того же года он погиб на пути к своей цели.
Не один раз снаряжались большие экспедиции на кораблях к полюсу, но и этим экспедициям не удавалось достичь цели. Тяжёлые льды «сковывали» корабли, порой ломали их и уносили своим дрейфом далеко в направлении, противоположном намеченному пути.
Только в 1937 году впервые на Северный полюс была доставлена воздушными кораблями советская экспедиция. Отважная четвёрка - астроном Е. Федоров, гидробиолог П. Ширшов, радист Э. Кренкель и старый моряк руководитель экспедиции И. Папанин - прожили на дрейфующей льдине 9 месяцев. Громадная льдина порой давала трещины и рушилась. Отважным исследователям не раз угрожала опасность погибнуть в волнах холодного арктического моря, но, невзирая на это, они производили свои научные исследования там, где ещё никогда не ступала нога человека. Были проведены важные исследования в области гравиметрии, метеорологии и гидробиологии. Подтвержден факт существования пяти климатических поясов, связанный с вращение Земли вокруг Солнца.
Земля всегда находится в движении. Хотя кажется, что мы стоим неподвижно на поверхности планеты, она беспрерывно вращается вокруг своей оси и Солнца. Это движение не чувствуется нами, так как оно напоминает полет в самолете. Мы движемся с той же скоростью, что и самолет, поэтому не ощущаем, что движемся вообще.
С какой скоростью Земля вращается вокруг своей оси?
Земля делает один оборот вокруг своей оси почти за 24 часа (если быть точными, то за 23ч 56мин 4,09сек или 23,93 часа) . Поскольку окружность Земли на составляет 40075 км, то любой объект на экваторе вращается со скоростью приблизительно 1674 км в час или примерно 465 метров (0,465 км) в секунду (40075 км делим на 23,93 часа и получаем 1674 км в час) .
На (90 градусах северной широты) и (90 градусах южной широты), скорость фактически равна нулю, потому что точки полюсов вращаются на очень медленной скорости.
Для того чтобы определить скорость на любой другой широте, просто умножьте косинус широты на скорость вращения планеты на экваторе (1674 км в час). Косинус 45 градусов равен 0,7071, таким образом, умножаем 0,7071 на 1674 км в час и получаем 1183,7 км в час .
Косинус необходимой широты легко определить с помощью калькулятора или посмотреть в таблице косинусов.
Скорость вращения Земли для других широт:
- 10 градусов: 0.9848×1674=1648,6 км в час;
- 20 градусов: 0.9397×1674=1573,1 км в час;
- 30 градусов: 0.866×1674=1449,7 км в час;
- 40 градусов: 0.766×1674=1282,3 км в час;
- 50 градусов: 0.6428×1674=1076,0 км в час;
- 60 градусов: 0.5×1674=837,0 км в час;
- 70 градусов: 0.342×1674=572,5 км в час;
- 80 градусов: 0.1736×1674=290,6 км в час.
Циклическое торможение
Все циклично, даже скорость вращения нашей планеты, которую геофизики могут измерить с точностью до миллисекунд. Вращение Земли, как правило, имеет пятилетние циклы замедления и ускорения, и последний год цикла замедления часто взаимосвязан со всплеском землетрясений по всему миру.
Так как 2018 год является последним в цикле замедление, ученые ожидают в этом году рост сейсмической активности. Корреляция не является причинно-следственной связью, но геологи всегда ищут инструменты, чтобы попытаться предсказать, когда произойдет очередное мощное землетрясение.
Колебания земной оси
Земля при вращении совершает небольшие колебания, поскольку ее ось дрейфует на полюсах. Было замечено, что дрейф земной оси ускорился с 2000 года, двигаясь со скоростью 17 см в год на восток. Ученые установили, что ось по-прежнему движется на восток вместо того, чтобы двигаться вперед и назад из-за комбинированного эффекта таяния Гренландии и , а также потери воды в Евразии.
Дрейф оси, как предполагается, особенно чувствителен к изменениям, происходящим на 45 градусах северной и южной широты. Это открытие привело к тому, что ученые наконец смогли ответить на давний вопрос о том, почему ось вообще дрейфует. Колебание оси на Восток или Запад было вызвано сухими или влажными годами в Евразии.
С какой скоростью Земля движется вокруг Солнца?
В дополнение к скорости вращения Земли вокруг своей оси, наша планета также вращается вокруг Солнца со скоростью около 108000 км в час (или примерно 30 км в секунду), и полностью завершает свою орбиту вокруг Солнца за 365,256 дней.
Только в 16-м веке люди поняли, что Солнце является центром нашей Солнечной системы, и что Земля перемещается вокруг него, а не является неподвижным центром Вселенной.
Что такое орбита? За какое время Земля совершает один оборот вокруг Солнца? Как земная ось располагается относительно плоскости орбиты?
1. Годовое движение Земли.
Как и другие планеты, Земля по своей орбите вращается вдоль замкнутого круга вокруг Солнца. Но орбита Земли составляет при этом не правильный, а немного вытянутый круг. Поэтому Земля один раз в год близко подходит к Солнцу (3 января), один раз отходит на самую дальнюю точку орбиты (5 июля). Разница в расстоянии между самой близкой (147 млн. км) и самой дальней (152 млн. км) точками всего 5 млн. км. Это по сравнению со средним расстоянием от Земли до Солнца очень малая величина.
Земля проходит свой путь по орбите вокруг Солнца за 365 дней и 6 часов. Принято считать, что в году 365 дней. Оставшиеся 6 часов в сумме за 4 года составляют 24 часа или одни сутки, которые прибавляют через каждые 4 года к февралю. Тогда 3 года состоят из 365 дней, а четвертый год - из 366 дней. Год, состоящий из 366 дней, называют «високосным
». Февраль в таком году состоит из 29 дней, а в оставшиеся 3 года - из 28 дней.
2. Различие в распределении тепла на поверхности Земли.
Количество тепла, поступающее на Землю от Солнца, прямо зависит от положения земной оси к плоскости орбиты. Если земная ось расположена перпендикулярно к плоскости орбиты, то на всей территории день был бы равен ночи в течение года. Поэтому не происходило бы смены времен года. Мы бы не знали ни лета, ни зимы, ни весны, ни осени. В экваториальном поясе все время было бы жаркое лето, в средних поясах - осень или весна, ближе к полюсам - весь год стояли бы морозные зимы.
В связи с этим природные пояса и зоны Земли тоже располагались бы иначе, чем сейчас.
Вместо густых лесов Северной Америки и Евразии раскинулась бы вечнозеленая тундра. А полярные стороны закрывал бы вечный щит снега и льда.
Но так как земная ось расположена не перпендикулярно к плоскости орбиты, а под углом в 66,5°, то солнечное тепло распределяется на поверхности Земли иначе. Величина наклона земной оси при движении вокруг Солнца не меняется. Поэтому в любой точке Земли угол падения солнечных лучей и длительность падения в течение года постоянно меняются. В результате меняется количество поступающего тепла и сменяются времена года.
В мае-августе Земля направлена к Солнцу северным полушарием (рис. 10), и на эту сторону планеты поступает больше тепла и света. Поэтому в северном полушарии лето, а в южном, наоборот, зима.
Рис. 10. Смена времен года в зависимости от места расположения Земли на орбите.
В декабре-феврале Земля оказывается на противоположной стороне. Теперь Солнце нагревает больше южное полушарие, там - лето, а в северном полушарии - зима.
В сентябре-ноябре, марте-мае земной шар повернут боком к Солнцу, свет и тепло распределяются на оба полушария. На одном из полушарий - весна, на другом - осень.
1. Почему Земля к Солнцу один раз приближается и один раз отдаляется в течение года?
2. За какое время Земля совершает один оборот вокруг Солнца?
3. Почему в феврале иногда 28 дней, а иногда 29 дней?
4. Почему происходит смена времен года?
5. Какие месяцы соответствуют зиме, весне, лету и осени в вашей местности? 6. В каких случаях не было бы смены времен года?
7. В вашей местности осень. Какое это время года на данной широте южного полушария?
8. Нарисуйте схему расположения Земли на орбите зимой, летом, весной, осенью в вашей местности.
Вопросы и задания для обобщения раздела «Земля - планета Солнечной системы»
1. Какие небесные тела входят в Солнечную систему?
2. Какое значение имеет расположение Земли в Солнечной системе?
3. Почему на других планетах, кроме Земли, нет условий для жизни?
4. Почему астероиды называют малыми планетами?
5. Почему древние люди считали Землю сначала плоской, потом дискообразной?
6. Какие есть доказательства о шарообразной форме Земли? Назовите все в полном объеме. Какие из них вы сами наблюдали?
7. Почему мы не замечаем шарообразную форму Земли?
8. Какое влияние оказывает шарообразная форма Земли на распространение тепла?
9. Какое значение имеет долгота дня и ночи для жизни на Земле?
10. Что происходило бы на Земле, если бы она не вращалась вокруг своей оси?
11. Во сколько лет 1 раз отмечают свой день рождения люди, родившиеся 29 февраля, и почему?
12. Почему и как на Земле происходит смена времен года?
Вы сидите, стоите или лежите, читая эту статью, и не ощущаете, что Земля вращается вокруг своей оси с бешеной скоростью - примерно 1 700 км/ч на экваторе. Однако скорость вращения не кажется такой уж быстрой, если перевести ее в км/с. Получится 0,5 км/с - едва заметная вспышка на радаре, в сравнении с другими окружающими нас скоростями.
Так же, как и другие планеты Солнечной системы, Земля вращается вокруг Солнца. И чтобы удерживаться на своей орбите, она двигается со скоростью 30 км/с. Венера и Меркурий, находящиеся ближе к Солнцу, двигаются быстрее, Марс, орбита которого проходит за орбитой Земли, движется намного медленнее нее.
Но даже Солнце не стоит на одном месте. Наша галактика Млечный Путь - огромная, массивная и тоже подвижная! Все звезды, планеты, газовые облака, частицы пыли, черные дыры, темная материя - все это движется относительно общего центра масс.
По предположениям ученых, Солнце находится на расстоянии 25 000 световых лет от центра нашей галактики и двигается по эллиптической орбите, совершая полный оборот каждые 220–250 млн лет. Получается, что скорость Солнца - около 200–220 км/с, что в сотни раз выше скорости движения Земли вокруг оси и в десятки раз выше скорости ее движения вокруг Солнца. Вот так выглядит движение нашей Солнечной системы.
Стационарна ли галактика? Снова нет. Гигантские космические объекты обладают большой массой, а следовательно, создают сильные гравитационные поля. Дайте Вселенной немного времени (а оно у нас было - примерно 13,8 миллиардов лет), и все начнет двигаться в направлении наибольшего притяжения. Вот почему Вселенная не однородна, а представляет собой галактики и группы галактик.
Что это означает для нас?
Это означает, что Млечный Путь тянут к себе другие галактики и группы галактик, расположенные поблизости. Это означает, что доминируют в этом процессе массивные объекты. И это означает, что не только наша галактика, но и все окружающие испытывают влияние этих «тягачей». Мы все ближе подходим к пониманию того, что происходит с нами в космическом пространстве, но нам все еще не хватает фактов, например:
- каковы были начальные условия, при которых зародилась Вселенная;
- как различные массы в галактике двигаются и изменяются со временем;
- как образовывался Млечный Путь и окружающие галактики и скопления;
- и как это происходит сейчас.
Однако есть трюк, который поможет нам разобраться.
Вселенную наполняет реликтовое излучение с температурой 2,725 К, которое сохранилось со времен Большого Взрыва. Кое-где есть крошечные отклонения - около 100 мкК, но общий температурный фон постоянен.
Это происходит потому, что Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад и до сих пор расширяется и охлаждается.
Через 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась до такой температуры, что стало возможным образование атомов водорода. До этого фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы: сталкивались с ними и обменивались энергией. По мере остывания Вселенной заряженных частиц стало меньше, а пространства между ними - больше. Фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве. Реликтовое излучение - это фотоны, которые были излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, но избежали рассеяния, так как рекомбинация уже началась. Они достигают Землю сквозь пространство Вселенной, которая продолжает расширяться.
Вы сами можете «увидеть» это излучение. Помехи, которые возникают на пустом канале телевизора, если вы используете простую антенну, похожую на заячьи уши, на 1% вызваны реликтовым излучением.
И все-таки температура реликтового фона не одинакова во всех направлениях. По результатам исследований миссии Planck, температура несколько различается в противоположных полушариях небесной сферы: она немного выше на участках неба южнее эклиптики - около 2,728 K, и ниже в другой половине - около 2,722 K.
Карта микроволнового фона, сделанная при помощи телескопа Planck.
Эта разница почти в 100 раз больше остальных наблюдаемых колебаний температуры реликтового фона, и это вводит в заблуждение. Почему так происходит? Ответ очевиден - эта разница происходит не из-за флуктуаций реликтового излучения, она появляется, потому что есть движение!
Когда вы приближаетесь к источнику света или он приближается к вам, спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону коротких волн (фиолетовое смещение), когда отдаляетесь от него или он от вас - спектральные линии смещаются в сторону длинных волн (красное смещение).
Реликтовое излучение не может быть более или менее энергичным, значит, мы движемся сквозь пространство. Эффект Доплера помогает определить, что наша Солнечная система движется относительно реликтового излучения со скоростью 368 ± 2 км/с, а местная группа галактик, включающая Млечный Путь, галактику Андромеды и галактику Треугольника, движется со скоростью 627 ± 22 км/с относительно реликтового излучения. Это так называемые пекулярные скорости галактик, которые составляют несколько сотен км/с. Помимо них существуют еще космологические скорости, обусловленные расширением Вселенной и рассчитываемые по закону Хаббла.
Благодаря остаточному излучению от Большого Взрыва мы можем наблюдать, что во Вселенной постоянно все движется и изменяется. И наша галактика - лишь часть этого процесса.
