Вращение земли вокруг солнца — период и скорость обращения, географические следствия

Что такое орбита Земли и ось

Вселенная движется, как и каждый ее отдельный элемент, причем зачастую на огромных скоростях. К примеру, Земля несется в пространстве со скоростью около 30 км/с, и в процессе чтения этих строк ваше положение во вселенной изменилось километров на 150—200. Более того, планета движется не только в каком-то направлении, но и вокруг своей оси.

Как вращается Земля — для обычного наблюдателя неочевидно. Дело в том, что это движение относительно. Например, по отношению к любому объекту на планете положение остается прежним, а вот по отношению к космическим телам — местоположение изменяется постоянно. Люди вместе с Землей вращаются вокруг ее оси, Солнца, центра галактики и так далее.

Осью называют воображаемую линию, проходящую через южный и северный полюса планеты.

Вокруг этой линии и происходит оборот, который так и называется — вращение вокруг своей оси. При этом, если представить такое движение в плоскости, ось находится не перпендикулярно, а под углом к ней. Если наблюдать процесс с северного полюса Солнца, Земля будет двигаться против часовой стрелки, и наоборот — с южного.

Орбитой Земли называют траекторию ее движения вокруг Солнца.

При этом она представляет собой не круг, а немного вытянутый овал — такую орбиту называют эллиптической. Более того, наклон траектории по отношению к Солнцу постоянно меняется. Если представить, что Солнце статично, Земля движется вокруг него не в одной и той же плоскости. Образно выражаясь, наша планета как бы наматывает нитки на клубок Солнца с равным расстоянием между стежками.

Строение солнечной системы

Солнечная система состоит из центральной звезды — Солнца, планет, их спутников и поясов астероидов, набора комет, метеороидов и других небольших небесных тел, включая космическую пыль. Все они проделывают путь либо вокруг Солнца, либо вокруг планет, либо по другим орбитам.

Всего в нашей системе восемь полноценных планет (по мере удаленности от звезды):

1. Меркурий (0).
2. Венера (0).
3. Земля (1).
4. Марс (2).
5. Юпитер (79).
6. Сатурн (62).
7. Уран (27).
8. Нептун (17).

В скобках указано количество спутников. Кроме этого, у четырех последних присутствуют системы колец, состоящие из более мелких тел, метеоритов и квазиспутников.

Первые четыре называют планетами земной группы, их состав отличается от остальных — в основном это силикаты и металлы. Две следующие — газовые гиганты, состоящие в основном из гелия и водорода. Две последние, помимо того, что являются газовыми гигантами, также выделяются в группу ледяных гигантов.

До 2006 в системе существовала девятая планета — Плутон, однако ее понизили в статусе, так как было принято формальное определение планет, которому она не соответствует. В то же время есть пока не доказанная гипотеза о существовании еще одной планеты в нашей системе, которую на данный момент условно так и называют — «девятая планета».

Кроме основных, в системе присутствуют карликовые планеты, к которым теперь и относят Плутон.

Список официально признанных:

1. Церера (0).
2. Плутон (5).
3. Эрида (1).
4. Макемаке (1).
5. Хаумеа (2).

В скобках также указано количество спутников. Ученые отмечают, что карликовых планет, еще не открытых, в нашей системе может насчитываться более сорока.

Наклон оси

Ось вращения Земли находится под углом к плоскости эклиптики. Если представить себе плоскость, по которой Земля совершает оборот вокруг Солнца, это она и есть. Строго говоря, Земля никогда не возвращается в одну и ту же точку, поэтому плоскостью это можно назвать условно, но для упрощения объяснения используется именно эта терминология.

Оборот вокруг оси идет под наклоном, так как ось нашей планеты находится под углом 23,4° (точная цифра — 23,439281°) к этой плоскости.

Таким образом, наша Земля «подставляет» Солнцу то свое северное, то южное полушарие.

Смена дня и ночи

Шарообразный объект единственным источником света в определенный момент освещается только наполовину. Применительно к нашей планете в одной ее части в этот момент будет день. Неосвещенная часть будет скрыта от Солнца – там ночь. Осевое вращение дает возможность сменяться этим периодам.

Кроме светового режима изменяются условия обогрева поверхности планеты энергией светила

Такая цикличность имеет важное значение. Скорость смены световых и тепловых режимов осуществляется сравнительно быстро

За 24 часа поверхность не успевает ни чрезмерно нагреться, ни остыть ниже оптимального показателя.

Вращение Земли вокруг Солнца и своей оси с относительно постоянной скоростью имеет определяющее для животного мира значение. Без постоянства орбиты планета не удержалась бы в зоне оптимального обогрева. Без осевого вращения день и ночь длились бы по полгода. Ни то ни другое не способствовало бы зарождению и сохранению жизни.

Наклон оси

Из-за наклонности Земной оси к плоскости орбиты и сохранения ее расположения в пространстве, происходит разный угол падения лучей Солнца. Это создает существенные различия в поступлении теплового потока на земную кору в разные периоды года, а также разную длительность дня и ночи на протяжении года на всех широтах, не считая экватора, где день равняется ночи.

22 июня ось нашей планеты направлена северным концом к небесному светилу. Этот день называется днем летнего солнцестояния. 22 декабря ось Земли направлена южным концом к Солнцу. Этот день зовется днем зимнего солнцестояния. 21 марта является днем весеннего равноденствия, а 23 сентября — день осеннего равноденствия, оба полушария в эти дни имеют одинаковую освещенность.

Планеты Солнечной системы
Карликовые планеты	Плутон· Церера· Хаумеа· Макемаке· Эрида
Планеты Земной группы	Меркурий· Венера· Земля· Марс
Газовые гиганты	Юпитер· Сатурн· Уран· Нептун

Наклон оси вращения Земли

Под земной осью понимают условную прямую, проходящую через оба географических полюса нашей планеты и ее центр. Вокруг этой линии Земля совершает свое суточное вращение.

По отношению к плоскости, в которой мы движемся вокруг Солнца, эта линия расположена не перпендикулярно, а под углом 66°33´. Это объясняет изменения у нас времен года, ведь из-за наклона каждая точка на поверхности земного шара в разные периоды времени получает различное количество солнечного тепла и света.

Никакие внешние факторы (воздействие Солнца, лунное притяжение и т. д.) не влияют на угол этого наклона, однако вызывают прецессию — перемещение нашей планеты по траектории в виде кругового конуса. Сейчас Северный полюс Земли «смотрит» на Полярную звезду, самую яркую в созвездии Малой Медведицы.

Примерно через 12 тысячелетий он будет направлен на звезду Вега в противоположной части небосвода, а еще через такой же период времени — снова на звезду-альфа Ursa Minor.

Графическое изображение наклона Земли. Credit: Earth-chronicles.ru

Весеннее и осеннее равноденствия

Места, где плоскость небесного экватора пересекается плоскостью эклиптики, обозначаются точками весеннего (20 марта) и осеннего равноденствия (22 сентября), дни и ночи одинаково продолжительны, и участки полушарий, обращенные к Солнцу, равномерно освещены и согреты, лучи Солнца падают на линию экватора под углом 90º. По датам весеннего и осеннего равноденствия отсчитывают астрономическое начало весны и осени в соответствующих полушариях.

Еще выделяют точки летнего (21 июня) и зимнего (22 декабря) солнцестояния, лучи Солнца становятся перпендикулярными не линии экватора, а Южному и Северному тропику (южная и северная параллель 23,5º). В день летнего солнцестояния 21 июня в Северном полушарии до 66,5 параллели день длиннее ночи, в Южном полушарии – ночь длиннее дня, эта дата — астрономическое начало лета в северных широтах и зимы в южных.

22 декабря (день зимнего солнцестояния) в Южном полушарии до 66,5параллели продолжительность дня больше, в Северном севернее до той же параллели – меньше. Дата зимнего солнцестояния – астрономическое начало зимы в Северном полушарии и начало лета в Южном.

Солнце имеет форму шара или сплюснуто у полюсов?

Нам известно, что за счет вращения, Земля представляет собой не идеальный шар, а несколько “сплюснута” с полюсов. Ее полярный диаметр вследствие центробежной силы, развивающейся при вращении, на 43 км меньше экваториального. Можно ли наблюдать такой же эффект и на Солнце?

Вас может заинтересовать

• Стоунхендж: древнейшая обсерватория на Земле
• Как образовалась наша Солнечная система и планета Земля?
• Видимое годовое движение солнца на небесной сфере
• Строение и атмосфера Солнца. Солнечный ветер
• Как измерить массу Земли и массу Солнца?

На этот вопрос нелегко ответить, так как если Солнце и отклоняется от сферической формы, то отклонение это весьма незначительно. Вдобавок, засечь его чрезвычайно трудно.

Дело в том, что свет, идущий от нижнего края солнечного диска, должен пройти несколько большую толщу земной атмосферы, чем тот, который исходит от верхнего края. Это различие проходимого пути, как бы оно ни было мало, все же приводит к ошибкам, которые трудно учесть.

Наклон оси Солнца в разные времена года на Земле. Р-Р – ось вращения Солнца, N – «север» Солнца

Мы убеждены, что некоторое сплющивание солнца у полюсов должно иметь место, но для его определения придется искать новые методы наблюдений.

Экваториальный диаметр Солнца измерить гораздо проще, чем полярный. В полдень восточный и западный края Солнца находятся на одной и той же высоте над горизонтом. Следовательно, путь световых лучей через земную атмосферу, по существу, будет одинаков.

Наибольшую проблему оценки истинного диаметра солнца при наблюдении с Земли вызывает влияние земной атмосферы. Даже если атмосфера неподвижна, любая легкая дымка приводит к тому, что Солнце кажется большего размера, чем есть в действительности.

Этот эффект, известный под названием иррадиации, может привести к ошибке до 0,1%. При этом, учитывая, что диаметр Солнца составляет 109 диаметров Земли, ошибка будет исчисляться сотнями километров!

Первый закон Кеплера

В наших расчетах мы принимали что Земля равномерно движется по окружности. Хотя в реальности это не совсем так.

Иоганн Кеплер (1571 — 1630 гг).

Еще в начале XVII века немецкий астроном Иоганн Кеплер, опираясь на данные многолетних наблюдений за планетой Марс, полученные его учителем — датским астрономом Тихо Браге, заключил, что все планеты солнечной системы движутся не по окружности, а по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Этот закон называют первым законом Кеплера.

Все планеты Солнечной Системы движутся по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Так что давайте разобраться что такое такое эллипс, и в чем его фокус.. или фокусы.

Что такое эллипс?

Эллипсом называется множество всех точек плоскости, сумма расстояний от каждой из которых до двух данных точек этой плоскости, называемых фокусами, есть величина постоянная, большая чем расстояние между фокусами.

Рассмотрим все на простом примере. Берем шнурок с канцелярскими кнопками-гвоздиками на концах. Втыкаем кнопки в кусок гипсокартонна, который завалялся в гараже после ремонта.

Далее карандашом, опираясь на шнурок рисуем линии. Получившаяся фигура и есть эллипс, а точки куда мы втыкали кнопки называются фокусами.

Большая и малая полуось

Важными характеристиками эллипса являются его полуоси. Большая ее обычно обозначают латинской буквой «a», и малая, которую обозначают буквой «b». Тоже латинской.

Большая полуось — это расстояния от центра эллипса до самой дальней его точки. Соответственно, малая полуось — это расстояние от центра до самой ближней точки эллипса.

Эксцентриситет

Еще одна важная характеристика эллипса носит шикарное название — эксцентриситет. Его обычно обозначают буквой «е» и определяют как отношение фокусного расстояния эллипса (c) к большой полуоси (a).

Эллипс иногда называют сплющенной окружностью. Так вот эксцентриситет как раз показывает насколько эта окружность сплющена.

Для эллипса:

Чем ближе эксцентриситет к единице, тем более вытянутый эллипс мы получим. И наоборот эксцентриситет близкий к 0, будет иметь эллипс ну очень похожий на окружность. В принципе можно сказать что окружность это эллипс с е=0.

В солнечной системе самый маленький эксцентриситет у Венеры всего 0,007, то есть траектория ее движения это практически окружность. Эксцентриситет близкий к единице имеют кометы. К примеру у кометы Галея е=0,967.

Что же касается Земли, то эксцентриситет земной орбиты тоже очень близок к нулю, всего 0,017. Но тем не менее это не ноль. А это значит что расстояние от Земли до Солнца величина отнюдь не постоянная.

Афелий и перигелий

Точка в которой планета находится ближе всего к Солнцу называется перигелий. От греческого perihelion, “peri“ — рядом и “helios“ — Солнце. Противоположная перигелию точка называется афелий. Соответственно это точка где планета максимально удалена от светила.

Земля находится перигелии, начале января. Она приближается к Солнцу на расстояние в 147,1 миллионов километров. Афелий она проходит в начале июля, когда удаляется на 152,1 миллионов километров. Разница выходит около 5 миллионов километров.

Этим иногда объясняют то что зимы в северном полушарии менее суровые, нежели в южном. Все таки зимой мы чуть ближе к солнцу. С другой стороны так как земля получает меньше солнечной энергии в июле, лето в северном полушарии более прохладное.

Максимальная и минимальная скорость движения Земли

Зная это можно, рассчитать с какими скоростями движется Земля перигелии и афелии. То есть найти ее максимальную и минимальную скорости. Но здесь нам понадобится закон сохранения энергии.

А так же, формулы для определения расстояний от солнца до афелия и перигелия, через эксцентриситет и большую полуось:

Ну и пожалуй уравнение для нахождения первой космической скорости.

Единственное в формуле расстояние R мы заменим на a, то есть на большую полуось. Большая полуось земной орбиты — это среднее расстояние от Земли до Солнца, и именно значение большой полуоси мы использовали в расчетах в самом начале. А значит скорость которую мы рассчитывали в самом начале есть средняя орбитальная. Она нам пригодится.

Составляем небольшую систему уравнения и с точки зрения физики задача решена. Остается только математика.

Начнем с того, что сократим массу Земли в законе сохранения энергии, а так же заменим радиус векторы на, соответственно, , .

Если внимательно посмотреть, то можно увидеть что в отношениях , и , , это квадрат средней орбитальной скорости . А ее мы уже рассчитали в самом начале. Так что здесь удобно будет выполнить замену.

Теперь из первого уравнения выражаем , и подставляем это все во второе. Делаем все необходимые преобразования и выражаем :

Ну и теперь так же выражаем :

Остается только подставить значения, и посчитать.

м/с

м/с

Какое имеет значение для людей?

Укажите скорость обращения Земли вокруг Солнца, это распространённая задача на уроках астрономии в школе. Учитывая этот факт, можно прийти к выводу о том, что темп движения геоида имеет огромное значение для человечества.

К примеру, так как на экваторе планета перемещается в максимальном темпе, космические державы пытаются строить космодромы как можно ближе к экватору. Это обусловлено тем, что подобным образом можно экономить на ракетном топливе за счёт разгона ракет самой планетой. В момент старта ракеты уже будут двигаться со скоростью свыше 1600 км/ч, что облегчит задачу набора орбитальной скорости в 28 тысяч км/ч.

Скорость Земли вокруг Солнца

География

§ 5. Движения Земли

Вспомните

Что такое орбита планеты? Какую форму она имеет? Какая планета расположена ближе всех к Солнцу? Какое место по удаленности от Солнца занимает Земля? Заметно ли для человека ее движение?

По человеческим меркам Земля огромна. Она весит 6 000 000 000 000 000 000 000 т! Поэтому людям, живущим на Земле, трудно поверить, что такое огромное тело находится в постоянном движении. Два основных вида движения Земли, известных человечеству с давних времен, — вращение вокруг своей оси и вокруг Солнца.

Рис. 15. Вращение Земли вокруг своей оси

Вращение Земли вокруг своей оси. Землю часто сравнивают с огромным волчком, но, в отличие от волчка, ось Земли — воображаемая линия. Кроме того, земная ось наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5°. Земная ось строго ориентирована в космическом пространстве. Ее северный конец направлен на Полярную звезду (рис. 15).

Точки пересечения воображаемой земной оси с поверхностью Земли называются географическими полюсами. Таких полюсов два — Северный и Южный.

Все объекты на земной поверхности вращаются вместе с Землей. Если наблюдать за нашей планетой из космоса со стороны Северного полюса, можно увидеть, что она вращается вокруг своей оси против часовой стрелки, т. е. с запада на восток. Полный оборот вокруг своей оси Земля совершает примерно за 24 ч. Этот период называется сутками.

Географические следствия вращения Земли вокруг своей оси:

1. Вращение Земли влияет на ее форму: она немного сплюснута у полюсов.
2. Из-за вращения Земли все движущиеся по ее поверхности тела отклоняются в Северном полушарии вправо по ходу своего движения, а в Южном — влево.
3. Благодаря вращению Земли происходит смена дня и ночи.

Если бы земная ось не была строго ориентирована в пространстве, Земля двигалась бы беспорядочно «кувыркаясь».

Если Земля перестала бы вращаться вокруг своей оси и вокруг Солнца, она была бы обращена к Солнцу всегда одной стороной, на которой был бы вечный день. Температура на этой стороне Земли достигла бы 100°С и более, и вся вода испарилась бы. Неосвещенная сторона планеты превратилась бы в царство вечного холода, где в виде гигантской ледяной шапки скопилась бы земная влага.

Движение Земли вокруг Солнца. Вы уже знаете, что Земля движется вокруг Солнца по орбите со скоростью 30 км/с. Она удалена от Солнца почти на 150 млн км (рис. 16). Это расстояние — огромное по человеческим меркам и незначительное для космоса — оказалось наилучшим для возникновения жизни.

Рис. 16. Вращение Земли вокруг Солнца

Для удобства продолжительность года считают равной 365 суткам. Оставшиеся 6 часов суммируются и каждые 4 года образуют дополнительные сутки. Такие годы называются високосными, в них не 365, а 366 суток. В високосные годы в самом коротком месяце — феврале — не 28, а 29 дней.

Расчеты ученых показывают, что за все время существования Земли — 4,6 млрд лет — расстояние между ней и Солнцем оставалось практически неизменным.

Если бы Солнце перестало притягивать Землю, она бы улетела в космос в 40 раз быстрее пули! Если бы Земля двигалась по орбите медленнее, она не смогла бы противостоять притяжению Солнца и упала бы на него.

Если бы Земля находилась ближе к Солнцу, температура на ней была бы намного выше. На Венере, которая ближе к Солнцу на 42 млн км, температура около 500°С! Если бы Земля находилась дальше от Солнца, температура на ней была бы отрицательной. Марс удален от Солнца на 228 млн км и на его поверхности температура -60°С. Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365 сут. и 6 ч. Этот период называется годом.

Вопросы и задания

1. Назовите два основных вида движения Земли.
2. В какую сторону происходит вращение Земли вокруг своей оси?
3. Назовите следствия вращения Земли вокруг своей оси.
4. Назовите следствия вращения Земли вокруг Солнца.

Параметры вращения Земли

→ Основная статья : Параметры вращения Земли

Для многочисленных приложений в астрономии , космических путешествиях , геодезии (особенно в астрогеодезии ) и т. Д. Необходимо точное знание текущей ориентации Земли в космосе

Если требования к точности находятся в диапазоне, в котором краткосрочные и долгосрочные колебания, описанные выше, становятся заметными, то они должны быть приняты во внимание. Для этого регулярно измеряются и публикуются так называемые параметры вращения Земли

Они обнимаются

• мировое время коррекция DUT1 , что указует на то разность между временной шкалой UT1 , который соединен с переменным вращением Земли, и координированным мировое время UTC, который получен из однородного атомного времени . UT1 пропорционален вращению Земли и, таким образом, является мерой текущего угла вращения Земли. Разница dUT1 = UT1 — UTC отражает неравномерность вращения Земли. Если разница может превысить 0,9 с, в UTC добавляется дополнительная секунда, чтобы снова компенсировать разницу.
• в полярных координатах х и у. Они описывают положение мгновенной оси вращения земного тела (точнее: полюса небесных эфемерид) по отношению к определенной фиксированной точке на поверхности земли ( опорный полюс IERS ). Ось X проходит в направлении нулевого меридиана (точнее, опорного меридиана IERS ), а ось Y — в направлении 90 ° на запад. В качестве единицы измерения обычно используются миллионы дуговых секунд (расстояние между двумя точками на поверхности земли также может быть выражено в метрах).
• в Полюсу колебание и , которые описывают наблюдаемые отклонения небесного полюса от некоторых математических моделей для прецессии и нутации. отклонение длины эклиптики, отклонение перекоса эклиптики.dψ{\ displaystyle \ mathrm {d} \ psi}dϵ{\ displaystyle \ mathrm {d} \ epsilon}dψ{\ displaystyle \ mathrm {d} \ psi}dϵ{\ displaystyle \ mathrm {d} \ epsilon}

Необходимые для этого наблюдения, которые регулярно проводятся по всему миру, координируются, оцениваются и публикуются Международной службой вращения Земли и систем отсчета (IERS).

Полученные таким образом данные сами по себе представляют научный интерес. Они содержат информацию о структуре и физических свойствах Земли, изменениях формы земного шара, изменениях точного положения центра тяжести Земли и геофизических процессах, происходящих внутри Земли.

Соответствующие наблюдения проводились с конца девятнадцатого века путем измерения положения звезд или наблюдений за звездным покровом Луны. Параметры можно было определять каждые пять дней. С 1970-х и 1980-х годов были добавлены измерения VLBI и GPS- наблюдения, а также лазерные измерения расстояния до подходящих спутников и Луны, и были зарегистрированы ежечасные или даже несколько более частые измеренные значения. В последнее время флуктуации можно также непрерывно отслеживать с помощью кольцевых лазеров . Углы вращения и направления, необходимые для определения параметров вращения Земли, в настоящее время могут быть измерены с точностью примерно до половины миллиардной секунды. В Центральной Европе над этой темой работают несколько исследовательских групп, в том числе в Ганновере ( Юрген Мюллер ) и в Вене ( Харальд Шу ).

Скорость, с которой земная поверхность движется в восточном направлении на уровне экватора, составляет около 1670 км / ч и уменьшается в направлении двух полюсов из-за уменьшения окружности кругов широты .

Движение Земли вокруг своей оси

Из-за того, что Земля непрерывно вращается, на каждом участке планеты непрерывно что-то меняется. Например, на смену дню приходит вечер, плавно перетекающий в ночь. И это все благодаря движению вокруг оси.

Стоит сразу отметить, что никакая земная ось на самом деле не существует, только в воображении. Представить ее несложно, она как будто бы проходит сквозь всю планету, пронизывая ее в двух точках-полюсах, Северном и Южном. Несмотря на физическое отсутствие оси, вращается планета так, будто и правда насажена на эту гигантскую палку и раскручена чьей-то сильной рукой.

Направление движения стабильно и происходит с запада на восток. Именно поэтому на протяжении миллионов лет все обитатели планеты видят, что Солнце восходит на востоке и потом скрывается на западе.

Интересно, что если вдруг кто-то возьмется наблюдать за ним с Северного полюса, то выглядеть оно будет как вращение против часовой стрелки. Ну а если с Южного, то, наоборот, по часовой стрелке.

Интересно, что скорость движения, в отличие от направления, периодически меняется. Несложно догадаться, что один оборот Земля делает примерно за 24 часа. Слово «примерно» появилось здесь не случайно. На самом деле, дотошные ученые установили, что сутки суткам рознь и могут отличаться на какие-то доли секунд.

Например, самые короткие были зафиксированы в 2003 году. Они длились меньше, чем положено на целую секунду и еще 5 ее тысячных.

Причин для изменения скорости множество. Это могут быть и внутренние процессы, происходящие глубоко под земной корой, и магнитное излучение Луны, и небесные тела, проносящиеся поблизости от Солнечной системы.

Самые дотошные ученые поли дальше. Они тщательно изучили записи, оставленные их коллегами во времена расцвета Вавилона, и пришли к выводу, что тогда длина суток была меньше на 0,04 секунды. А анализ сохранившихся до наших дней артефактов Мезозойской эры показал, что во времена господства динозавров на планете, длина суток составляла всего 23 часа.