Очень многие привычные нам с детства особенности жизни являются результатом процессов космического масштаба. Смена дня и ночи, времен года, продолжительность периода, в течение которого Солнце находится над горизонтом, связаны с тем, как и с какой скоростью вращается Земля, с особенностями ее передвижения в космосе.

Воображаемая линия

Ось любой планеты — конструкция умозрительная, созданная для удобства описания движения. Если мысленно провести линию через полюса, это и будет ось Земли. Вращение вокруг нее — одно из двух основных движений планеты.

Ось не составляет с плоскостью эклиптики (плоскостью вокруг Солнца) 90º, а отклоняется от перпендикуляра на 23º27". Считается, что планета вращается с запада на восток, то есть против часовой стрелки. Именно таким выглядит ее движение вокруг оси, если наблюдать его на Северном полюсе.

Неопровержимое доказательство

Когда-то считалась, что наша планета неподвижна, а звезды, закрепленные на небе, вращаются вокруг нее. Достаточно длительное время в истории никого не интересовало, с какой скоростью Земля обращается по орбите или вокруг оси, поскольку сами понятия «ось» и «орбита» не укладывались в научные познания того периода. Экспериментальное доказательство факта постоянного движения Земли вокруг оси было получено в 1851 году Жаном Фуко. Оно окончательно убедило всех, кто в позапрошлом веке еще сомневался в этом.

Опыт был проведен в под куполом которого разместили маятник и круг с делениями. Раскачиваясь, маятник при каждом новом движении смещался на несколько делений. Подобное возможно только при условии вращения планеты.

Скорость

Насколько быстро вращается Земля вокруг своей оси? Однозначный ответ на этот вопрос дать довольно трудно, поскольку скорость различных географических точек неодинакова. Чем ближе местность к экватору, тем она выше. В районе Италии значение скорости, например, оценивается в 1200 км/ч. В среднем же планета за час преодолевает 15º.

Со скоростью вращения Земли связана продолжительность суток. Отрезок времени, за который наша планета делает один оборот вокруг оси, определяется двумя способами. Для определения так называемых звездных или сидерических суток в качестве системы отсчета выбирается любая звезда, кроме Солнца. Они длятся 23 часа 56 минут и 4 секунды. Если же за отправную точку берется наше светило, то сутки называют солнечными. Их величина в среднем составляет 24 часа. Она несколько меняется в зависимости от положения планеты относительно светила, которое влияет и на скорость вращения вокруг оси и на то, с какой скоростью Земля обращается по орбите.

Вокруг центра

Второе важнейшее движение планеты — это ее «кружение» по орбите. Неизменное перемещение по слегка вытянутой траектории ощущается людьми чаще всего по смене времен года. То, с какой скоростью Земля движется вокруг Солнца, выражается для нас в первую очередь в единицах измерения времени: один оборот занимает 365 дней 5 часов 48 минут 46 секунд, то есть астрономический год. Точная цифра наглядно объясняет, почему каждые четыре года в феврале появляется дополнительный день. Он представляет собой сумму накопленных за это время часов, не вошедших в принятые 365 суток года.

Особенности траектории

Как уже отмечалось, то, с какой скоростью Земля обращается по орбите, связано с характеристиками последней. Траектория движения планеты отличается от идеальной окружности, она слегка вытянута. В результате Земля то приближается к светилу, то удаляется от него. Когда планету и Солнце разделяет минимальное расстояние, такое положение называется перигелием. Максимальное удаление соответствует афелию. Первое приходится на 3 января, второе — на 5 июля. И для каждой из этих точек вопрос: «С какой скоростью вращается Земля по орбите?» - имеет свой ответ. Для афелия это 29,27 км/с, для перигелия — 30,27 км/с.

Продолжительность дня

То, с какой скоростью вращается Земля по орбите, и в целом движение планеты вокруг Солнца имеют ряд следствий, определяющих многие нюансы нашей жизни. Например, эти перемещения сказываются на продолжительности дня. Солнце постоянно изменяет свое положение на небе: смещаются точки восхода и захода, становится несколько иной высота светила над горизонтом в полдень. В результате изменяется продолжительность дня и ночи.

Совпадают эти две величины лишь в равноденствие, когда центр Солнца пересекает небесный экватор. Наклон оси при этом оказывается нейтральным по отношению к светилу, и его лучи отвесно падают на экватор. Весеннее равноденствие приходится на 20-21 марта, осеннее — на 22-23 сентября.

Солнцестояние

Один раз в году день достигает своего максимума по продолжительности, а через полгода — минимума. Эти даты принято называть солнцестоянием. Летнее приходится на 21-22 июня, а зимнее — на 21-22 декабря. В первом случае наша планета так располагается по отношению к светилу, что северный край оси смотрит в направлении Солнца. В результате лучи отвесно падают на и освещают всю область за Полярным кругом. В Южном полушарии при этом, наоборот, солнечные лучи достигают лишь области между экватором и Полярным кругом.

Во время зимнего солнцестояния события протекают точно так же, только полушарии меняются ролями: освещается Южный полюс.

Времена года

Положение на орбите влияет не только на то, с какой скоростью Земля движется вокруг Солнца. В результате изменения расстояния, отделяющего от светила, а также наклона оси планеты на протяжении года неравномерно распределяется солнечная радиация. А это, в свою очередь, становится причиной смены времен года. Причем длительность зимнего и летнего полугодия различна: первое составляет 179 суток, а второе — 186. К этому несовпадению приводит все тот же наклон оси относительно плоскости эклиптики.

Пояса освещенности

Кружение Земли по орбите имеет и еще одно последствие. Годовое движение приводит к изменению положения Солнца над горизонтом, в результате чего на планете образовались пояса освещенности:

Жаркие располагаются на 40 % территории Земли, между Южным и Северным тропиком. Как понятно из названия, сюда приходит больше всего тепла.

Умеренные пояса — между Полярным кругом и Тропиками — характеризуются выраженной сменой сезонов.

Полярные пояса, размещающиеся за Полярными кругами, отличаются низкой температурой в течение всего года.

Движение планет в целом и, в частности, то, с какой скоростью Земля обращается по орбите, влияют и на другие процессы. Среди них течение рек, смена сезонов, определенные ритмы жизни растений, животных и человека. Кроме того, вращение Земли в силу своего влияния на освещенность и температуру поверхности влияет на сельскохозяйственные работы.

Сегодня то, какая скорость вращения Земли, каково ее расстояние до Солнца, и прочие особенности, связанные с движением планеты, изучаются в школе. Однако, если задуматься, они совершенно неочевидны. Когда подобная мысль приходит в голову, хочется от души поблагодарить тех ученых и исследователей, которые во многом лишь благодаря своему незаурядному уму смогли открыть закономерности космической жизни Земли, описать их, а затем доказать и объяснить остальному миру.

Земля в пространстве перемещается подобно юле, которая вращается вокруг себя и одновремен-но движется по кругу. Наша планета так же осу-ществляет два основных движения: вращается вокруг своей оси и совершает движение вокруг Солнца.

Вращение Земли вокруг оси. Вы уже видели, как глобус-Земля вращается вокруг стержня-оси. Наша планета осуществляет такое движение постоянно. Но мы этого не замечаем, поскольку вместе с ней враща-емся и мы, и все земные тела — равнины, горы, реки, моря и даже воздух, окружающий Землю. Нам кажется, что Земля остаётся неподвижной, а перемещаются по небосклону Солнце, Луна и звёзды. Мы говорим, что Солнце восходит на востоке, а заходит на западе. В действительности, это Земля движется, вращаясь с запада на восток (против часовой стрелки).

Следовательно, вращаясь вокруг оси, Земля освеща-ется Солнцем то с одной стороны, то с другой (рис. 86). В результате этого на планете наступает то день, то ночь. Полный оборот вокруг своей оси Земля осуществляет за24 часа. Этот период называют сутками. Движение Земли вокруг оси равномерное и не прекращается ни на миг.

Вследствие вращения Земли вокруг своей оси про-исходит смена дня и ночи. Полный оборот вокруг оси наша планета осуществляет за сутки (24 ч).

Движение Земли вокруг Солнца. Земля движется вокруг Солнца по орбите. Полный оборот она делает за год — 365 дней .

Посмотрите внимательно на глобус. Вы заметите, что ось Земли не вертикальная, а наклонена под углом. Это имеет большое значение: наклон оси при движении Земли вокруг Солнца — причина смены времён года. Ведь солнечные лучи на протяжении года освещают больше то Северное полушарие (и день там длиннее), то Южное.

Вследствие наклона земной оси во время движения нашей планеты вокруг Солнца на Земле происходит смена времён года .

На протяжении года бывают дни, когда одно из полушарий, обернувшись к Солнцу, освещается наибольше, а другое — наименьше и наоборот. Это дни солнцестояния . За время одного оборота Земли во-круг Солнца бывает два солнцестояния: летнее и зимнее. Дважды в год оба полушария бывают освещены одинаково (тогда и продолжительность дня в обоих полушариях одинакова). Это дни равноденствия .

Рассмотрите рис. 87 и проследите движение Зем-ли по орбите. Когда Земля обращена к Солнцу Се-верным полюсом, оно больше освещает и нагревает Северное полушарие. Дни становятся длиннее, чем ночи. Наступает тёплое время года — лето. 22 июня день будет самым длинным, а ночь — самой корот-кой в году, это день летнего солнцестояния . В это время Солнце меньше освещает и нагревает Южное полушарие. Там зима. Материал с сайта

Через три месяца, 23 сентября , Земля занимает такое положение относительно Солнца, когда сол-нечные лучи одинаково будут освещать как Север-ное, так и Южное полушария. На всей Земле, кроме полюсов, день будет равен ночи (по 12 часов). Этот день называют днём осеннего равноденствия. Ещё через три месяца к Солнцу будет обращено Южное полушарие. Там наступит лето. При этом у нас, в Се-верном полушарии, будет зима. 22 декабря день бу-дет самым коротким, а ночь — самой длинной. Это день зимнего солнцестояния . 21 марта снова оба полушария будут освещены одинаково, день будет равен ночи. Это день весеннего равноденствия .

На протяжении года (за время полного оборота Земли вокруг Солнца) по освещённости земной поверхности различают дни:

• солнцестояния — зимнего 22 декабря, летнего 22 июня;
• равноденствия — весеннего 21 марта, осеннего 23 сентября.

На протяжении года полушария Земли получают разное количество солнечного света и тепла. Происхо-дит смена времён (сезонов) года. Эти изменения ока-зывают влияние на все живые организмы на Земле.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском

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.

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.

Вращение Земли вокруг своей оси

Вращение Земли – одно из движений Земли, которое отражает множество астрономических и геофизических явлений, происходящих на поверхности Земли, в её недрах, в атмосфере и океанах, а также в ближнем Космосе.

Вращением Земли объясняется смена дня и ночи, видимое суточное движение небесных тел, поворот плоскости качаний груза, подвешенного на нити, отклонение падающих тел к востоку и др. Вследствие вращения Земли на тела, движущиеся по её поверхности, действует Кориолиса сила, влияние которой проявляется в подмывании правых берегов рек в Северном полушарии и левых – в Южном полушарии Земли и в некоторых особенностях циркуляции атмосферы. Центробежной силой, порождаемой вращением Земли, частично объясняются различия в ускорении силы тяжести на экваторе и полюсах Земли.

Для исследования закономерностей вращения Земли вводят две системы координат с общим началом в центре масс Земли (рис.1.26). Земная система X 1 Y 1 Z 1 участвует в суточном вращении Земли и остаётся неподвижной относительно точек земной поверхности. Звёздная система координат XYZ не связана с суточным вращением Земли. Хотя её начало перемещается в мировом пространстве с некоторым ускорением, участвуя в годовом движении Земли вокруг Солнца в Галактике, но это движение относительно далёких звёзд можно считать равномерным и прямолинейным. Поэтому движение Земли в этой системе (как и любого небесного объекта) можно изучать по законам механики для инерциальной системы отсчёта. Плоскость XOY совмещена с плоскостью эклиптики, а ось X направлена в точку весеннего равноденствия γ начальной эпохи. В качестве осей земной системы координат удобно принимать главные оси инерции Земли, возможен и другой выбор осей. Положение земной системы относительно звёздной принято определять тремя эйлеровыми углами ψ, υ, φ.

Рис.1.26. Системы координат, применяемые для изучения вращения Земли

Основные сведения о вращения Земли доставляют наблюдения суточного движения небесных тел. Вращение Земли происходит с запада на восток, т.е. против часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса Земли.

Средний наклон экватора к эклиптике начальной эпохи (угол υ) почти постоянен (в 1900г. он был равен 23° 27¢ 08,26² и в течение 20 века увеличился менее чем на 0,1²). Линия пересечения экватора Земли и эклиптики начальной эпохи (линия узлов) медленно движется по эклиптике с востока на запад, перемещаясь на 1° 13¢ 57,08² в столетие, вследствие чего угол ψ изменяется на 360° за 25 800 лет (прецессия). Мгновенная ось вращения ОР всегда почти совпадает с наименьшей осью инерции Земли. Угол между этими осями по наблюдениям, выполненным с конца 19 века, не превосходит 0,4².

Промежуток времени, в течение которого Земля делает один оборот вокруг своей оси относительно какой-нибудь точки на небе, называется сутками. Точками, определяющими продолжительность суток, могут быть:

· точка весеннего равноденствия;

· центр видимого диска Солнца, смещённый годичной аберрацией («истинное Солнце»);

· «среднее Солнце» - фиктивная точка, положение которой на небе может быть вычислено теоретически для любого момента времени.

Определяемые этими точками три различных промежутка времени называются соответственно звёздными, истинными солнечными и средними солнечными сутками.

Скорость вращения Земли характеризуется относительной величиной

где П з – длительность земных суток, Т – длительность стандартных суток (атомных), которая равна 86400с;

- угловые скорости, соответствующие земным и стандартным суткам.

Поскольку величина ω изменяется только в девятом – восьмом знаке, то значения ν имеют порядок 10 -9 -10 -8 .

Один полный оборот вокруг своей оси Земля совершает относительно звёзд за меньший промежуток времени, чем относительно Солнца, так как Солнце движется по эклиптике в том же направлении, в каком вращается Земля.

Звёздные сутки определяются периодом вращения Земли вокруг своей оси по отношению к любой звезде, но так как звёзды имеют собственное и к тому же весьма сложное движение, то условились начало звёздных суток отсчитывать от момента верхней кульминации точки весеннего равноденствия, а за протяжённость звёздных суток принимают промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия, находящейся на одном и том же меридиане.

Вследствие явлений прецессии и нутации взаимное расположение небесного экватора и эклиптики непрерывно изменяется, а это значит, что соответствующим образом изменяется местоположение на эклиптике точки весеннего равноденствия. Установлено, что звёздные сутки на 0,0084сек короче действительного периода суточного вращения Земли и что Солнце, двигаясь по эклиптике, попадает в точку весеннего равноденствия раньше, чем оно попадает на то же самое место относительно звёзд.

Земля в свою очередь обращается вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсу, поэтому движение Солнца кажется нам с Земли неравномерным. Зимой истинные солнечные сутки больше, чем летом, Например, в конце декабря они равны 24 часа 04 минут 27 секунд, а в середине сентября – 24ч 03мин. 36сек. За среднюю единицу солнечных суток принято считать 24ч 03мин. 56,5554сек звёздного времени.

Угловая скорость Земли относительно Солнца из-за эллиптичности земной орбиты зависит от времени года. Медленнее всего Земля движется по орбите, находясь в перигелии – самой удалённой от Солнца точке своей орбиты. В результате длительность истинных солнечных суток в течение года неодинакова – эллиптичность орбиты изменяет длительность истинных солнечных суток по закону, который можно описать синусоидой с амплитудой 7,6 мин. и периодом в 1 год.

Вторая причина неравномерности суток – наклонение земной оси к эклиптике, приводящее к видимому движению Солнца вверх и вниз от экватора в течение года. Прямое восхождение Солнца вблизи равноденствий (рис.1.17) изменяется медленнее (так как Солнце движется под углом к экватору), чем во время солнцестояний, когда оно движется параллельно экватору. В результате к продолжительности истинных солнечных суток добавляется синусоидальный член с амплитудой 9,8 мин. и периодом в полгода. Есть и другие периодические эффекты, изменяющие длительность истинных солнечных суток и зависящие от времени, но они невелики.

В результате совместного действия этих эффектов самые короткие истинные солнечные сутки наблюдаются 26-27 марта и 12-13 сентября, а самые длинные – 18-19 июня и 20-21 декабря.

Чтобы устранить эту переменность, используют средние солнечные сутки, привязанные к так называемому среднему Солнцу – условной точке, движущейся равномерно по небесному экватору, а не по эклиптике, как реальное Солнце, и совпадающей с центром Солнца в момент весеннего равноденствия. Период обращения среднего Солнца по небесной сфере равен тропическому году.

Средние солнечные сутки не подвержены периодическим изменениям, как истинные солнечные сутки, но их длительность монотонно изменяется в связи с изменением периода осевого вращения Земли и (в меньшей степени) с изменением длительности тропического года, увеличиваясь примерно на 0,0017 секунды в столетие. Так, длительность средних солнечных суток в начале 2000 года была равна 86400,002 секунды СИ (секунда СИ определяется с использованием внутриатомного периодического процесса).

Звёздные сутки составляют 365,2422/366,2422=0,997270 средних солнечных суток. Эта величина – постоянное соотношение звёздного и солнечного времени.

Среднее солнечное время и звёздное время связаны между собой следующими соотношениями:

24 ч. ср. солнечного времени = 24ч. 03 мин. 56,555сек. звёздного времени

1ч. = 1ч. 00 мин. 09,856 сек.

1 мин. = 1 мин. 00,164 сек.

1 сек. = 1,003 сек.

24 ч. звёздного времени = 23 ч. 56 мин. 04,091 сек. ср. солнечного времени

1 ч. = 59 мин. 50,170 сек.

1 мин. = 59,836 сек.

1 сек. = 0,997 сек.

Время в любом измерении – звёздное, истинное солнечное или среднее солнечное – на различных меридианах разное. Но все точки, лежащие на одном и том же меридиане, в один и тот же момент времени имеют одинаковое время, которое называется местным временем. При перемещении по одной и той же параллели на запад или на восток время в исходной точке не будет соответствовать местному времени всех других географических точек, расположенных на данной параллели.

Чтобы в какой-то степени устранить этот недостаток, канадец С. Флешинг предложил ввести поясное время, т.е. систему счёта времени, основанную на разделении поверхности Земли на 24 часовых пояса, каждый из которых отстоит от соседнего пояса на 15° по долготе. Флешинг нанёс на карту мира 24 основных меридианов. Примерно на 7,5° к востоку и западу от них условно были нанесены границы часового времени данного пояса. Время одного и того же часового пояса в каждый момент для всех его пунктов считалось одинаковым.

До Флешинга во многих странах мира издавались карты с различными начальными меридианами. Так, например, в России счёт долгот вёлся от меридиана, проходящего через Пулковскую обсерваторию, во Франции – через Парижскую, в Германии – через Берлинскую, в Турции – через Стамбульскую. Чтобы ввести поясное время, надо было унифицировать единый начальный меридиан.

Поясное время впервые было введено в США в 1883г., а в 1884г. в Вашингтоне на Международной конференции, в работе которой принимала участие и Россия, было принято согласованное решение о поясном времени. Участники конференции условились считать начальным или нулевым меридианом меридиан Гринвичской обсерватории, а местное среднее солнечное время Гринвичского меридиана назвали всемирным или мировым временем. На конференции была установлена и так называемая «линия перемены даты».

В нашей стране поясное время было введено в 1919г. Приняв за основу международную систему часовых поясов и существовавшие тогда административные границы, на кару РСФСР были нанесены часовые пояса от II до XII включительно. Местное время часовых поясов, расположенных на востоке от Гринвичского меридиана, из пояса к поясу увеличивается на час, а на запад от Гринвича – соответственно на час уменьшается.

При счёте времени календарными сутками важно установить, на каком меридиане начинается новая дата (число месяца). По международному соглашению линия перемены даты проходит в большей своей части по меридиану, отстоящему от гринвичского на 180°, отступая от него: к западу – у острова Врангеля и Алеутских островов, к востоку – у побережья Азии, островов Фиджи, Самоа, Тонгатабу, Кермандек и Чатам.

К западу от линии перемены даты число месяца всегда на единицу больше, чем к востоку от неё. Поэтому после пересечения этой линии с запада на восток необходимо уменьшить число месяца на единицу, а после пересечения её с востока на запад – увеличить на единицу. Такое изменение даты обычно производится в ближайшую полночь после пересечения линии перемены дат. Совершенно очевидно, что новый календарный месяц и новый год начинаются на линии перемены дат.

Таким образом, нулевой меридиан и меридиан 180° в.д., по которому в основном проходит линия перемены даты, делят земной шар на западное и восточное полушария.

Всю историю человечества суточное вращение Земли всегда служило идеальным эталоном времени, который регулировал деятельность людей и был символом равномерности и точности.

Древнейшим инструментом для определения времени до нашей эры служил гномон, по-гречески указатель, вертикальный столб на выровненной площадке, тень которого, менявшая своё направление при перемещении Солнца, показывала на нанесённой на земле около столба шкале то или иное время дня. Солнечные часы известны с 7 века до н.э. Первоначально они были распространены в Египте и странах Ближнего Востока, откуда перешли в Грецию и Рим, а ещё позже проникли в страны Западной и Восточной Европы. Вопросами гномоники – искусству делать солнечные часы и умению пользоваться ими – занимались астрономы и математики древнего мира, средневековья и нового времени. В 18в. и в начале 19в. гномоника излагалась в учебниках математики.

И только после 1955г., когда требования физиков и астрономов к точности времени очень сильно возросли, стало невозможным удовлетворяться суточным вращением Земли как эталоном времени, уже неравномерным при требуемой точности. Время, определяемое по вращению Земли, неравномерно вследствие движений полюса и перераспределения момента количества движения между различными частями Земли (гидросферой, мантией, жидким ядром). Принятый для отсчёта времени меридиан определяется точкой МУН и точкой на экваторе, соответствующей нулевой долготе. Этот меридиан очень близок к гринвичскому.

Земля вращается неравномерно, что вызывает изменение продолжительности суток. Скорость вращения Земли наиболее просто можно охарактеризовать отклонением длительности земных суток от эталонных (86 400 с). Чем короче земные сутки, тем быстрее вращается Земля.

Выделяют три составляющие в величине изменения скорости вращения Земли: вековое замедление, периодические сезонные колебания и нерегулярные скачкообразные изменения.

Вековое замедление скорости вращения Земли обусловлено действием приливных сил притяжения Луны и Солнца. Приливообразующая сила растягивает Землю вдоль прямой, соединяющей её центр с центром возмущающего тела – Луны или Солнца. При этом сила сжатия Земли увеличивается, если равнодействующая совпадает с плоскостью экватора, и уменьшается, когда она отклоняется к тропикам. Момент инерции сжатой Земли больше, чем недеформированной шарообразной планеты, а поскольку момент импульса Земли (т.е. произведение её момента инерции на угловую скорость) должен оставаться постоянным, то скорость вращения сжатой Земли меньше, чем недеформированной. Ввиду того, что склонения Луны и Солнца, расстояния от Земли до Луны и Солнца постоянно меняются, приливообразующая сила колеблется во времени. Соответствующим образом меняется сжатие Земли, что, в конечном счёте, вызывает приливные колебания скорости вращения Земли. Наиболее значительными из них являются колебания с полумесячным и месячным периодами.

Замедление скорости вращения Земли обнаруживается при астрономических наблюдениях и палеонтологических исследованиях. Наблюдения античных солнечных затмений позволили сделать вывод, что длительность суток каждые 100 000 лет увеличивается на 2с. Палеонтологические наблюдения за кораллами показали, что кораллы тёплых морей растут, образуя поясок, толщина которого зависит от количества света, полученного за день. Таким образом, можно определить годовые изменения их строения и подсчитать число суток в году. В современную эпоху находят 365 поясов на кораллах. По палеонтологическим наблюдениям (табл.5) длительность суток возрастает линейно со временем на 1,9с за 100 000 лет.

Таблица 5

По наблюдениям за последние 250 лет сутки увеличивались на 0,0014с в столетие. По некоторым данным кроме приливного замедления имеет место увеличение скорости вращения на 0,001с в столетие, которое вызвано изменением момента инерции Земли вследствие медленного перемещения материи внутри Земли и на её поверхности. Собственное ускорение уменьшает продолжительность суток. Следовательно, если бы его не было, то сутки увеличивались бы на 0,0024с за столетие.

До создания атомных часов вращение Земли контролировалось путём сравнения наблюдённых и вычисленных координат Луны, Солнца и планет. Таким путём удалось получить представление об изменении скорости вращения Земли в течение трёх последних столетий – с конца 17в., когда стали вестись первые инструментальные наблюдения за движением Луны, Солнца и планет. Анализ этих данных показывает (рис.1.27), что с начала 17в. до середины 19в. скорость вращения Земли менялась мало. Со второй же половины 19в. по настоящее время наблюдались значительные нерегулярные флуктуации скорости с характерными временами порядка 60-70 лет.

Рис.1.27. Отклонение длительности суток от эталонных за 350 лет

Наиболее быстро Земля вращалась около 1870г., когда длительность земных суток была на 0,003с короче эталонных. Наиболее медленно - около 1903г., когда земные сутки были длиннее эталонных на 0,004с. С 1903 по 1934гг. происходило ускорение вращения Земли, с конца 30-х годов до 1972г. наблюдалось замедление, а с 1973г. по настоящее время Земля ускоряет своё вращение.

Периодические годичные и полугодичные колебания скорости вращения Земли объясняются периодическими изменениями момента инерции Земли из-за сезонной динамики атмосферы и планетарного распределения атмосферных осадков. По современным данным продолжительность суток в течение года меняется на ±0,001 секунды. При этом самые короткие сутки приходятся на июль-август, а самые длинные – на март.

Периодические изменения скорости вращения Земли имеют периоды 14 и 28 суток (лунные) и 6 месяцев и 1 год (солнечные). Минимальная скорость вращения Земли (ускорение равно нулю) соответствует 14 февраля, средняя скорость (ускорение максимально) – 28 мая, максимальная скорость (ускорение равно нулю) – 9 августа, средняя скорость (замедление минимально) – 6 ноября.

Наблюдаются и случайные изменения скорости вращения Земли, которые происходят через неравномерные промежутки времени, почти кратные одиннадцати годам. Абсолютная величина относительного изменения угловой скорости достигала в 1898г. 3,9×10 -8 , а в 1920г. – 4,5×10 -8 . Характер и природа случайных колебаний скорости вращения Земли мало изучены. Одна из гипотез объясняет нерегулярные флуктуации угловой скорости вращения Земли перекристаллизацией некоторых пород внутри Земли, изменяющей её момент инерции.

До открытия неравномерности вращения Земли производная единица меры времени – секунда – определялась как 1/86400 доля средних солнечных суток. Непостоянство средних солнечных суток вследствие неравномерного вращения Земли заставило отказаться от такого определения секунды.

В октябре 1959г. Международное Бюро мер и весов постановили дать следующее определение фундаментальной единице времени секунде:

«Секунда есть 1/31556925,9747 доля тропического года для 1900г., январь 0, в 12 часов эфемеридного времени».

Так определяемая секунда получила название «эфемеридной». Число 31556925,9747=86400´365,2421988 есть число секунд в тропическом году, продолжительность которого для 1900 года, январь 0, в 12 часов эфемеридного времени (равномерного ньютонианского времени) равнялась 365,2421988 средних солнечных суток.

Иными словами, эфемеридная секунда есть промежуток времени, равный 1/86400 доле средней продолжительности средних солнечных суток, которую они имели в 1900 году, в январе 0, в 12 часов эфемеридного времени. Таким образом, новое определение секунды было связано и с движением Земли вокруг Солнца, тогда как старое определение основывалось только на её вращении вокруг своей оси.

В наши дни время – физическая величина, которую можно измерить с наивысшей точностью. Единица времени – секунда «атомного» времени (секунда СИ) - приравнена продолжительности 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, была введена в 1967 году решением XII Генеральной конференции мер и весов, а в 1970 году «атомное» время было принято за фундаментальное реперное время. Относительная точность цезиевого эталона частоты составляет 10 -10 -10 -11 в течение нескольких лет. Эталон атомного времени не имеет ни суточных, ни вековых колебаний, не стареет и обладает достаточной определённостью, точностью и воспроизводимостью.

С введением атомного времени существенно улучшилась точность определения неравномерности вращения Земли. С этого момента появилась возможность регистрировать все колебания скорости вращения Земли с периодом более одного месяца. На рис.1.28 показан ход среднемесячных величин отклонений за период 1955-2000гг.

С 1956 по 1961г. вращение Земли ускорялось, с 1962 по 1972г. – замедлялось, а с 1973г. по настоящее время – снова ускорялось. Это ускорение ещё не закончилось и продлится до 2010г. Ускорение вращения 1958-1961гг. и замедление 1989-1994гг. являются кратковременными флуктуациями. Сезонные колебания приводят к тому, что скорость вращения Земли бывает наименьшей в апреле и ноябре, а наибольшей – в январе и июле. Январский максимум значительно меньше июльского. Разность между минимальной величиной отклонения длительности земных суток от эталонных в июле и максимальной в апреле или ноябре составляет 0,001с.

Рис.1.28. Среднемесячные отклонения длительности земных суток от эталонных за 45 лет

Изучение неравномерности вращения Земли, нутаций земной оси и движения полюсов имеет большое научное и практическое значение. Знание этих параметров необходимо для определения координат небесных и земных объектов. Они способствуют расширению наших знаний в различных областях наук о Земле.

В 80-е годы 20 века на смену астрономическим методам определения параметров вращения Земли пришли новые методы геодезии. Доплеровские наблюдения ИСЗ, лазерная локация Луны и ИСЗ, система глобального позиционирования GPS, радиоинтерферометрия являются эффективными средствами для изучения неравномерности вращения Земли и движения полюсов. Наиболее подходящими для радиоинтерферометрии являются квазары – мощные источники радиоизлучения чрезвычайно малого углового размера (менее 0,02²), которые являются, по-видимому, наиболее удалёнными объектами Вселенной, практически неподвижными на небе. Квазарная радиоинтерферометрия представляет эффективнейшее и независимое от оптических измерений средство для изучения вращательного движения Земли.