Географические следствия движения земли. Осевое вращение земли

Вращение Земли вокруг оси проявляется во многих явлениях на ее поверхности. Например, пассаты (постоянные ветры в тропических областях обоих полушарий, дующие к экватору) вследствие вращения Земли с запада на восток дуют с северо-востока в северном полушарии и с юго-востока - в южном полушарии; в северном полушарии подмываются правые берега рек, в южном - левые; при движении циклона с юга на север его путь отклоняется к востоку и т.д.

a ) б )

Рис. 12: Маятник Фуко. А - плоскость качания маятника.

Но наиболее наглядным следствием вращения Земли является опыт с физическим маятником, впервые поставленный физиком Фуко в 1851 г.

Опыт Фуко основан на свойстве свободного маятника сохранять неизменным в пространстве направление плоскости своих колебаний, если на него не действует никакая сила, кроме силы тяжести. Пусть маятник Фуко подвешен на северном полюсе Земли и колеблется в какой-то момент в плоскости определенного меридиана l (рис.12, a ). Через некоторое время наблюдателю, связанному с земной поверхностью и не замечающему своего вращения, будет казаться, что плоскость колебаний маятника непрерывно смещается в направлении с востока на запад, “за Солнцем”, т.е. по ходу часовой стрелки (рис.12,6 ). Но так как плоскость качания маятника не может произвольно менять своего направления, то приходится признать, что в действительности поворачивается под ним Земля в направлении с запада к востоку. За одни звездные сутки плоскость колебаний маятника совершит полный оборот относительно поверхности Земли с угловой скоростью w= 15° в звездный час. На южном полюсе Земли маятник совершит за 24 звездных часа также один оборот, но против часовой стрелки.

Рис 13.

Если маятник подвесить на земном экваторе и ориентировать плоскость его качания в плоскости экватора, т. е. под прямым yглом к меридиану l (рис. 12), то наблюдатель не заметит смещения плоскости его колебаний относительно земных предметов, т.е. она будет казаться неподвижной и оставаться перпендикулярной к меридиану. Результат не изменится, если маятник на экваторе будет колебаться в какой-либо другой плоскости. Обычно говорят, что на экваторе период вращения плоскости колебаний маятника Фуко бесконечно велик.

Если маятник Фуко подвесить на широте j , то его колебания будут происходить в плоскости, вертикальной для данного места Земли.

Вследствие вращения Земли наблюдатeлю будет казаться, что плоскость колебаний маятника поворачивается вокруг вертикали данного места. Угловая скорость этого поворота w j равна проекции вектора угловой скорости вращения Земли w на вертикаль в данном месте О (рис. 13), т.е.

w j --= w sin j = 15° sin j .

Таким образом, угол видимого поворота плоскости колебаний маятника относительно поверхности Земли пропорционален синусу географической широты.

Фуко поставил свой опыт, подвесив маятник под куполом Пантеона в Париже. Длина маятника была 67 м, вес чечевицы - 28 кг. В 1931 г. в Ленинграде в здании Исаакиевского собора был подвешен маятник длиной 93 м и весом 54 кг. Амплитуда колебаний этого маятника равна 5 м , период - около 20 секунд. Острие его чечевицы при каждом следующем возвращении в одно из крайних положений смещается в сторону на 6 мм. Таким образом, за 1-2 минуты можно убедиться в том, что Земля действительно вращается вокруг своей оси.

Рис. 14

Вторым следствием вращения Земли (но менее наглядным) является отклонение падающих тел к востоку. Этот опыт основан на том, что чем дальше находится точка от оси вращения Земли, тем больше ее линейная скорость, с которой она перемещается с запада на восток вследствие вращения Земли. Поэтому вершина высокой башни В перемещается к востоку с большей линейной скоростью, нежели ее основание О (рис. 14). Движение тела, свободно падающего с вершины башни, будет происходить под действием силы притяжения Земли с начальной скоростью вершины башни. Следовательно, прежде чем упасть на Землю, тело будет двигаться по эллипсу, и хотя скорость его движения постепенно увеличивается, упадет оно на поверхность Земли не у основания башни, а несколько обгонит его, т.е. отклонится от основания в сторону вращения Земли, к востоку.

В теоретической механике для расчета величины отклонения тела к востоку х получена формула

где h - высота падения тела в метрах, j - географическая широта места опыта, а х выражено в миллиметрах.

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).

В настоящее время вращение Земли непосредственно наблюдается из космоса.

Земля (лат. Terra) - третья от Солнца планета Солнечной системы, крупнейшая по диаметру, массе и плотности среди планет земной группы.

Земля взаимодействует (притягивается гравитационными силами) с другими объектами в космосе, включая Солнце и Луну. Земля обращается вокруг Солнца и делает вокруг него полный оборот примерно за 365,26 дней. Этот отрезок времени - сидерический год, который равен 365,26 солнечным суткам. Ось вращения Земли наклонена на 23,4° относительно её орбитальной плоскости, это вызывает сезонные изменения на поверхности планеты с периодом в один тропический год (365,24 солнечных суток).

Одним из доказательств орбитального вращения Земля является смена времен года. Правильное понимание наблюдаемых небесных явлений и места Земли в Солнечной системе складывалось веками. Окончательно сломил представление о неподвижности Земли Николай Коперник. Коперник показал, что именно вращением Земли вокруг Солнца можно объяснить видимые петлеобразные движения планет. Центром планетной системы является Солнце.

Ось вращения Земли отклонена от оси орбиты (т. е. прямой, перпендикулярной плоскости орбиты) на угол, равный примерно 23,5°. Если бы не было этого наклона, смены времен года не существовало бы. Регулярная смена времен года - следствие движения Земли вокруг Солнца и наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты. В северном полушарии Земли наступает лето, когда северный полюс Земли освещается Солнцем, а южный полюс планеты располагается в ее тени. При этом в южном полушарии наступает зима. Когда в северном полушарии весна, то в южном - осень. Когда в северном полушарии осень, в южном - весна. Времена года в южном и северном полушариях всегда противоположны. Примерно 21 марта и 23 сентября во всем мире день и ночь продолжаются 12 часов. Эти дни называются днями весеннего и осеннего равноденствия. Летом продолжительность светлого времени суток больше, чем зимой, следовательно, северное полушарие Земли в течение весны и лета с 21 марта по 23 сентября получает гораздо больше тепла, чем осенью и зимой с 23 сентября по 21 марта.

Как известно, Земля обращается по своей орбите вокруг Солнца. Для нас, находящихся на поверхности Земли людей, такое годовое движение Земли вокруг Солнца заметно в виде годового перемещения Солнца на фоне звезд. Как мы уже знаем, путь Солнца среди звезд является большим кругом небесной сферы и называется эклиптикой. Значит, эклиптика является небесным отражением орбиты Земли, поэтому плоскость орбиты Земли называют еще плоскостью эклиптики. Ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости эклиптики, а отклоняется от перпендикуляра на угол. Благодаря этому на Земле происходит смена времен года (см. рис. 15). Соответственно, и плоскость земного экватора наклонена на этот же угол к плоскости эклиптики. Линия пересечения плоскости земного экватора и плоскости эклиптики сохраняет (если не учитывать прецессию) неизменное положение в пространстве. Один ее конец указывает на точку весеннего равноденствия, другой - точку осеннего равноденствия. Эти точки неподвижны относительно звезд (с точностью до прецессионного движения!) и вместе с ними участвуют в суточном вращении.

Рис. 15.

Вблизи 21 марта и 23 сентября Земля расположена относительно Солнца таким образом, что граница света и тени на поверхности Земли проходит через полюса. А поскольку каждая точка на поверхности Земли совершает суточное движение вокруг земной оси, то ровно половину суток она будет на освещенной части земного шара, а вторую половину - на затененной. Таким образом, в эти даты день равен ночи, и они называются соответственно днями весеннего и осеннего равноденствий. Земля в это время находится на линии пересечения плоскостей экватора и эклиптики, т.е. в точках весеннего и осеннего равноденствий, соответственно.

Выделим еще две особенные точки на орбите Земли, которые называются точками солнцестояний, а даты, на которые приходится прохождение Земли через эти точки, днями солнцестояний.

В точке летнего солнцестояния, в которой Земля бывает вблизи 22 июня (день летнего солнцестояния), северный полюс Земли направлен в сторону Солнца, и большую часть суток любая точка северного полушария освещена Солнцем, т.е. в эту дату день - самый длинный в году.

В точке зимнего солнцестояния, в которой Земля бывает вблизи 22 декабря (день зимнего солнцестояния), северный полюс Земли направлен в сторону от Солнца, и большую часть суток любая точка северного полушария находится в тени, т.е. в эту дату ночь - самая длинная в году, а день - самый короткий.

Из-за того, что календарный год по продолжительности не совпадает с периодом обращения Земли вокруг Солнца, дни равноденствий и солнцестояний в разные годы могут приходиться на разные дни (-+ один день от названных выше дат). Однако в дальнейшем при решении задач мы будем пренебрегать этим и считать, что дни равноденствий и солнцестояний всегда приходятся на указанные выше даты.

Перейдем от реального движения Земли в пространстве к видимому движению Солнца для наблюдателя, находящегося на широте,. В течение года центр Солнца движется по большому кругу небесной сферы, по эклиптике, против часовой стрелки. Поскольку плоскость эклиптики в пространстве неподвижна относительно звезд, то эклиптика вместе со звездами будет участвовать в суточном вращении небесной сферы. В отличие от небесного экватора и небесного меридиана эклиптика будет менять свое положение относительно горизонта в течение суток.

Как изменяются координаты Солнца в течение года? Прямое восхождение изменяется от 0 до 24 h , а склонение изменяется от - до +. Лучше всего это можно увидеть на небесной карте экваториальной зоны (рис. 16).

Рис. 16.

Для четырех дней в году мы знаем координаты Солнца точно. Ниже в таблице даны эти сведения.

Таблица 2. Данные о Солнце в дни равноденствий и солнцестояний

	т. восхода	т. захода	h max
		0 h 00 m
	23 o 26"	6 h 00 m	сев.-вост.
		12 h 00 m
	23 o 26"	18 h 00 m

В таблице указана также полуденная (в момент верхней кульминации) высота Солнца на эти даты. Для того, чтобы вычислить высоту Солнца в моменты кульминаций на любой другой день года, нам необходимо знать в этот день.

Земля одновременно вращается вокруг своей оси, движется вокруг Солнца, около общего с Луной и около общего для всей Солнечной системы центров тяжести, а также в составе Солнечной системы перемещается вокруг ядра Галактики. Однако для жизни на планете главными про-цессами являются осевое и орбитальное движения нашей планеты.Земля вращается с запада на восток против часовой стрелки и делает полный оборот вокруг оси за 23 ч 56 мин 4,1 с (звездные сутки ).

За земную ось принимают воображаемую прямую линию, вокруг которой вращается Земля. Земная ось пересекается с земной поверхностью в двух точках, называемых полюсами - Северным и Южным.

Экватор - большой круг, образованный пересечением Земли, перпендикулярный оси вращения на расстоянии, равном от обоих полюсов. Если мысленно пересечь Землю рядом параллельных экватору плоскостей, на земной поверхности появятся линии, называемые параллелями , имеющими направление запад-восток. При мысленном пересечении Земли плоскостями, проходящими через ось ее вращения, на поверхности Земли возникают линии, называемые меридианами , имеющие направление север-юг. Линейная скорость вращения всех точек на одном меридиане уменьшается от экватора к полюсам.

Период полного осевого вращения Земли - сутки . Они приняты за естественную единицу измерения времени. Отрезок времени, за который Земля делает оборот вокруг своей оси по отношению к Солнцу, называют истинными солнечными сутками . Солнечные сутки несколько длиннее звездных, что объясняется одновременным вращением Земли вокруг оси и ее движением вокруг Солнца. В то же время Земля при своем движении по орбите меняет скорость: находясь ближе к Солнцу (в перигелии), движется быстрее, а дальше (в афелии) движется медленнее. Это приводит к тому, что продолжительность истинных солнечных суток в течение года неодинакова. Для удобства истинное солнечное время заменяют средним солнечным, которое всегда равно 24 ч . За начало суток принимают момент нижней кульминации среднего Солнца, т.е. полночь.

Сутки начинаются одновременно на всем меридиане. Каждый меридиан имеет свое местное время, и чем восточнее он расположен, тем раньше начинаются на нем сутки. Вращаясь, Земля за 1 час поворачивается на 15 о,поэтому на меридианах, отстоящих друг от друга на 15 о, местное время отличается на 1 час. Если расстояние между меридианами 1 о, разница во времени 4 мин. Местное время неудобно из-за различий во времени соседних пунктов, расположенных на разных меридианах, поэтому в конце XIX в. ввели поясное время , разделив всю поверхность Земли на 24 часовых пояса по 15 о каждый. При переходе границы время меняется на 1 час.

Начальный пояс проходит по обе стороны от нулевого меридиана, называемого Гринвичским . Время начального меридиана принято в качестве всемирного времени . Границы поясов не везде проведены по меридианам, а с учетом политических, административных и хозяйственных границ. Границы поясов не везде проведены по меридианам, а с учетом политических, административных и хозяйственных границ.

С целью экономии электроэнергии и более полного использования населением солнечного освещения в утренние часы во многих странах, в том числе и в России, в конце марта стрелки часов переводили на 1 час вперед. Это время называется летним. В конце октября стрелки переводили на 1 час назад - это зимнее время, соответствующее поясному. В 2011 году отменено зимнее время в России.

При переезде из одного часового пояса в другой стрелки часов нужно перевести вперед, если движетесь на восток, или назад, если движетесь на запад. В конце кругосветного путешествия с запада на восток стрелки будут переведены вперед на 24 ч, т.е. одни сутки будут «потерянными». Чтобы при перелете из одного полушария в другое счет времени был правильным, установили условную линию - линию перемены дат . Она проходит по 180 о-му меридиану в Тихом океане и не пересекает сушу. При пересечении этой линии с востока на запад одни сутки из счета выбрасываются, т.е. после 1 сентября наступит 3, а при пересечении этой линии с запада на восток на следующий день повторится то же число. Земля, вращаясь вокруг своей оси, в то же время движется вокруг Солнца со средней скоростью 30 км/с. При такой большой скорости она совершает полный оборот вокруг Солнца за 365 суток 5 ч 48 мин 46 с.

Этот период называется астрономическим годом . Путь, по которому Земля движется вокруг Солнца, называется орбитой . Орбита представляет собой замкнутую кривую, имеющую форму эллипса длиной 940 млн км. Солнце находится не в центре, а смещено в сторону - в один из фокусов, поэтому расстояние от Земли до Солнца меняется в зависимости от положения Земли на орбите. Времена года на Земле существуют по той причине, что земная ось не находится под прямым углом к плоскости орбиты. При движении по орбите направление земной оси не меняется и всегда направлено в сторону Полярной звезды.

ночь могут быть равны на всех широтах только в тот момент, когда земная

ось лежит в светораздельной плоскости, а светораздельная линия проходит через географические полюса. Это день весеннего равноденствия .Затем каждый день вплоть до 21 июня Солнце в полдень бывает в зените в более северных точках планеты. В Северном полушарии лето наступает, когда Северный полюс наклонен в сторону Солнца. 22 июня называют днем летнего солнцестояния . Солнце находится в зените на параллели 23 о 27΄ с. ш. Эту параллель называют Северным тропиком - тропиком Рака. В это время самая большая продолжительность светлой части суток, она не меняется в течение нескольких дней. В это же время на параллели 66 о 33΄ с. ш. вплоть до 90о Земля оказывается полностью освещенной и при вращении не попадает в тень. Смены дня и ночи не происходит. Это время называют полярным днем. После 22 июня все эти явления происходят в обратном порядке до тех пор, пока 23 сентября Солнце вновь не окажется в полдень в зените на линии экватора и линия, отделяющая освещенное полушарие от неосвещенного, не пройдет через полюса. Это день солнечного (осеннего ) равноденствия .

Земля продолжает движение по орбите и все больше поворачивается к

Солнцу своим Южным полушарием. 22 декабря Солнце в полдень нахо-дится в зените в самых южных точках на параллели 23 о 27΄ ю. ш., которую

называют южным тропиком - тропиком Козерога. Это второе солнцестояние в году - лето в Южном полушарии. В это время к северу от Северного полярного круга бывает полярная ночь, а к югу от Южного полярного круга - полярный день. Установить возраст Земли оказалось возможным после открытия явления радиоактивности. Стало понятно, что радиоактивные ядра распадаются с постоянной скоростью, не зависящей от изменения окружающих физико-химических условий. В природе есть элементы, содержащиеся в минералах, радиоактивный распад которых используется в геологическом летоисчеслении. Это U238, U235, Th232, K40, Rb87, C14.

Абсолютный возраст горной породы определяется из количественного

сооотношения в ней радиоактивного элемента и продуктов его распада.

Длительное время считали, что самым древним горным породам Земли3,8-3,9 млрд лет. Они обнаружены в Восточной Сибири, в Западной части Гренландии, в Антарктиде. Позже в Австралии в песчаниках возрастом 2,9 млрд лет обнаружили минерал циркон, которому 4,3 млрд лет. Циркон попал в песчаники при разрушении более древних пород. В результате обработки земных и лунных образцов пород, метеоритов

установлен их возраст - 4,55 млрд лет.

Итак, предполагают, что землеподобные планеты имеют возраст 4,6-4,55 млрд лет, а возраст Солнца 4,65-4,6 млрд лет

Подобно тому, как Земля обращается вокруг Солнца, вокруг Земли движется Луна - естественный спутник нашей планеты, расположенный на расстоянии 384 000 км. Диаметр Луны в 4 раза, а масса в 81 раз меньше Земли, поэтому сила тяготения на Луне примерно в 6 раз меньше земной.

Слабая сила притяжения не позволяет Луне удержать плотную атмосферу и сохранить на её поверхности воду. У Луны очень слабое магнитное поле и нет железного ядра. Луна покрыта рыхлым слоем реголита, состоящего из фракций магматических пород. Минералогический состав лунных пород близок к земным базальтам, но отличается по содержанию оксидов железа и титана. Реголит - хороший теплоизолятор, не позволяющий проникнуть резким колебаниям температур (от +130 до –170 о С) глубже нескольких десятков сантиметров. Так, в течение лунного дня, который длится 15 земных суток, лучи Солнца накаляют лунный грунт вблизи экватора до 130 о С. В течение ночи, которая длится также 15 земных суток, грунт остывает до –70 о С. Рельеф Луны образуют горные хребты, кольцевые горы-кратеры и равнинные области, называемые морями, на которых наблюдаются отдельные мелкие кратеры метеоритного происхождения. В отдельных местах лунной поверхности зафиксировано небольшое истечение вулканических газов.

Луна делает полный круг на небе за 27 суток 7 часов 43 минут - это звездный месяц, называемый сидерическим. Происхождение Луны - предмет ряда гипотез. Предполагают, что 1) образование Луны из того же газово-пылевого облака шло одновременно с Землей; 2) Земля вращалась очень быстро и сбросила часть своего вещества; 3) произошел захват Луны как постороннего тела Землей; 4) произошел скользящий удар о Землю космического тела, масса которого соответствует массе Марса и выброс вещества мантии Земли в околоземное пространство с последующим формированием Луны из этого вещества. Так как состав лунных пород близок составу мантийного вещества Земли, последняя гипотеза пользуется наибольшей популярностью.

Под действием притяжения Луны тело Земли испытывает упругую де-

формацию, принимая форму симметричного яйца, вытянутого по направлению к Луне вдоль линии, соединяющей центры Земли и Луны. Особенно заметной деформации подвергается водная оболочка Земли. В наиболее близкой к Луне точке океанической поверхности и в диаметрально противоположной образуется вспучивание водной массы (приливной выступ), а на круге, расположенном посередине между этими точками перпендикулярно к линии Земля - Луна, возникает понижение водной поверхности. Вследствие вращения Земли приливные выступы превращаются в приливную волну, которая обходит вокруг земного шара, перемещаясь навстречу вращению Земли, т.е. с востока на запад. Прохождение через какое-нибудь место гребня волны создает здесь прилив, прохождение впадины волны - отлив. В течение лунных суток бывает два повышения и два понижения уровня моря. Промежуток времени между двумя смежными самыми высокими (или самыми низкими) стояниями уровня равен 12 ч 25 мин. Во время новолуния и полнолуния, когда Солнце и Луна расположены почти на одной прямой, приливообразующие влияния обоих космических тел складываются, и приливы на Земле достигают наибольшей высоты. Когда направления на Луну и Солнце образуют прямой угол, их влияния вычитаются, и приливы на Земле наименьшие.

Важнейшими географическими следствиями являются смена дня и ночи, отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса) и возможность построения системы географических координат. Смена дня и ночи обусловлена вращением Земли в параллельных лучах Солнца, при этом всегда половина земного шара освещена (день), другая не освещена (ночь). Смена дня и ночи обуславливает суточный ритм многих процессов и явлений на Земле.

Благодаря силе Кориолиса все движущиеся тела (воздух, вода, ракеты, снаряды и др.) в северном полушарии отклоняются вправо, в южном – влево. Поэтому правые берега рек, склоны речных долин в северном полушарии преимущественно крутые, обрывистые. Действие силы Кориолиса сказывается на направлении океанических течений (Гольфстрима, Куросио) и ветров (западные ветры умеренных широт, пассаты).

На поверхности Земли есть две замечательные точки, не участвующие во вращении планеты – северный и южный полюсы, опираясь на которые оказалось возможным построить стройную единую систему географических координат : сеть меридианов и параллелей.

Из-за неравномерного движения Земли на орбите солнечные сутки нельзя использовать для измерения точного времени. В практике пользуются средним солнечным временем . Его определяют по среднему Солнцу – воображаемой точке, которая равномерно проходит по небесному экватору свой путь за год. Средние солнечные сутки равны 24 средним солнечным часам, которые делятся на минуты и секунды. За начало средних солнечных суток принимают момент нижней кульминации среднего Солнца, т.е. полночь.

Времена суток – утро, день, ночь, вечер на разных меридианах начинаются в разное время, но на одном меридиане – одновременно. Новые сутки начинаются на 180 долготы, которая называется линией перемены дат . Каждый меридиан имеет свое местное время , и чем восточнее он расположен, тем раньше на нем начинаются сутки. На меридианах, отстоящих друг от друга на 15 местное время отличается на 1 час, а между соседними, отстоящими друг от друга на 1 - на 4 мин.

Согласованная деятельность людей требует согласованного счета времени, и еще в XIX веке введено поясное время . Земная поверхность разделена на 24 часовых пояса, каждый из которых включает 15 долготы. В каждом часовом поясе счет ведется по местному времени его среднего меридиана, которое одновременно называют поясным временем. В 1930 г. декретом правительства СССР в целях более рационального использования светового дня стрелки часов были переведены на 1 час вперед (декретное время ). На летние месяцы во многих странах вводится летнее время , когда стрелки часов переводятся на 1 час вперед.

Для астрономических работ целесообразно пользоваться всемирным (мировым) временем (гринвичского меридиана).

Притяжение Земли другими телами Солнечной системы вызывает во всем теле планеты упругие деформации (в атмосфере, гидросфере, литосфере). Наибольшее влияние оказывает Луна (в 2,17 раз больше, чем Солнце) и Солнце. Если приливообразующие силы, вызываемые Луной и Солнцем складываются, что бывает в момент сизигии (полнолуние, новолуние), то высота приливов наибольшая: в открытом океане до 77 см, у берегов высота возрастает. Максимальна высота прилива в заливе Фанди, до 18 м. В момент квадратуры (первая и последняя четверть Луны) высота приливов невысока, т. к. в этом случае из приливообразующей силы, создаваемой Луной, вычитается сила, вызываемая Солнцем.

Земные приливы порождают приливное трение. Благодаря большой скорости вращения Земли, приливные выступы смещены относительной прямой, соединяющей центры Земли и Луны, при этом ближайший к Луне выступ (избыток массы) замедляет скорость вращения Земли, а дальний ускоряет ее. Поскольку тормозящее влияние сильнее, то в целом скорость вращения Земли замедляется. Сутки в догеологическую стадию Земли (4,5 млрд. лет назад) были равны 2 часам, 500 млн. лет назад – 20 часам. Замедление составляет 0,001 сек. за 100 лет.

Савцова Т.М. Общее землеведение, М.,2003, стр. 50-54

Мильков Ф.Н. «Общее землеведение», М., 1990, стр. 62-64

Любушкина С.Г Общее землеведение, М.,2004, стр. 22-25

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.