Земля совершает множество движений одновременно. В географии принято учитывать и анализировать три из них: орбитальное движение, суточное вращение и движение системы Земля -- Луна.

Наблюдения, которые проводятся в течение многих десятилетий на станциях Международной службы движения полюсов Земли (до 1961 г. именовалась Международной службой широты; была создана в 1899 г.), а также 20-летние измерения с помощью геодезических спутников указывают, что тело планеты, а значит, географическая ось Земли, отклоняется от оси ее вращения (неизменной в пространстве, если не учитывать прецессию и нутацию) со скоростью около 10 см/год, т.е. примерно на 1° в 1 млн лет. Однако оценки истинного смещения в масштабах миллионов лет очень неопределенны. Предполагается, что за эпоху кайнозоя (последние 65 млн лет) этот дрейф составил около 10°, причем последние 10 млн лет его скорость достигает 0.5° в 1 млн лет.

Во Вселенной небесные тела образуют системы различной сложности. Например, планета Земля со спутником Луной образует систему. Она входит в более крупную систему -- Солнечную, образованную Солнцем и движущимися вокруг него небесными телами -- планетами, астероидами, спутниками, кометами. Солнечная система, в свою очередь, является частью Галактики. Галактики образуют еще более сложные системы -- скопления галактик. Самая грандиозная звездная система, состоящая из множества галактик -- Метагалактика -- видимая с помощью приборов часть Вселенной. По современным представлениям, она имеет диаметр около 100 млн световых лет, возраст Вселенной -- 15 млрд лет, в нее входит 10 22 звезд.

Нашу Галактику можно отнести к числу слабовзаимодействующих галактик. Она испытывает гравитационное воздействие со стороны близких спутников -- Большого и Малого Магеллановых Облаков. Влияние нашей Галактики немного сильнее, и постепенно Магеллановы Облака разрушаются. Через несколько миллиардов лет Магеллановы Облака войдут в нашу систему и сольются с ней.

Расстояние от Солнечной системы до центра галактики составляет 23-28 тыс. световых лет. Солнце находится на периферии Галактики, вне спиральных рукавов. Для Земли это обстоятельство очень благоприятно: она расположена в относительно спокойной части Галактики и в течение миллиардов лет не испытывает влияние космических катаклизмов.

Галактический год -- промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнечной системы через ближайший к центру Галактики участок орбиты -- составляет 200-220 млн лет, то есть близок к продолжительности одного геологического цикла.

Эпохи горообразования - промежутки в истории Земли, характеризующиеся интенсивными тектоническими движениями, в результате которых происходило смятие слоев горных пород в складки, образование разломов в земной коре, формировались горы:

• - Байкальская (Протерозойская и Палеозойская эры);
• - Каледонская, Герцинская (Палеозойская эра);
• - Киммерийская (Мезозойская эра);
• - Альпийская (Кайнозойская эра).

Горы, возникшие в геологически недавние эпохи горообразования, имеют резко расчлененный рельеф, большую высоту; более древние горы - снижены, разрушены, иногда уничтожены полностью.

Вокруг Солнца Земля движется по орбите, мало отличающейся от круга. Солнце расположено в одном из фокусов эллиптической орбиты Земли, вследствие чего расстояние между Землей и Солнцем в течение года меняется незначительно. За единицу при измерении расстояний в пределах Солнечной системы принимается большая полуось орбиты Земли, равная 149,6 млн. км. Скорость движения Земли на орбите тем выше, чем меньше радиус-вектор (расстояние от Земли до Солнца). В перигелии Земля бывает в начале января, следовательно, ее движение по орбите происходит быстрее, поэтому зимнее полугодие в Северном полушарии короче, чем в Южном.

Под действием притяжения других планет положение плоскости земной орбиты, а также ее форма медленно изменяются на протяжении миллионов лет: наклон эклиптики -- от 0 до 2,9°, а эксцентриситет -- от 0 до 0,067.

Земная ось наклонена по отношению к плоскости орбиты и образует с нею угол, равный 66° 33". В процессе движения ось перемещается поступательно, поэтому на орбите возникают 4 характерные точки. В дни равноденствий радиус-вектор находится в плоскости экватора, а светораздельная линия делит все параллели пополам. Благодаря этому солнечные лучи на экваторе в полдень падают отвесно и на всем земном шаре день равен ночи (на полюсах происходит смена дня и ночи). Различают весеннее и осеннее равноденствия. В дни солнцестояний плоскость экватора наклонена по отношению к солнечному лучу (и радиусу-вектору орбиты) под углом 23° 27". Солнце в этот момент находится в зените над одним из тропиков. Различают летнее и зимнее солнцестояния,

Из-за эллипсоидальности орбиты и наклона земной оси к плоскости в среднем на 23° 30" земная ось совершает движение в теле Земли, описывая конус. В свою очередь это проявляется в периодическом изменении величины угла наклона темной оси к эклиптике в интервале 22°,068-24°,568 (по расчетам Ш. Г. Шараф и Н.А Будниковой); для современной эпохи угол наклона составляет 23° 27" 08" (по определению 1900 г.). По этой же причине линия пересечения плоскости экватора с плоскостью эклиптики, на которой лежат точки равноденствий, перемещается навстречу движению Земли по орбите, благодаря чему тропический год короче сидерического (солнечного). Тропическим годом называют отрезок времени в сутках между двумя последовательными прохождениями Земли через точку весеннего равноденствия на орбите (или между двумя последовательными весенними равноденствиями). Период времени, за который земная ось описывает полный конус, называется прецессионным ритмом (25 735 тропических лет). Вследствие прецессии происходит смещение точки весеннего равноденствия навстречу орбитальному движению Солнца - так называемое предварение равноденствия (примерно на 20 мин в год). Наряду с прецессионным ритмом (26 тыс. лет) еще, по крайней мере, два ритма (41 и 200 тыс. лет) обусловлены взаимодействием Земли с Луной и Солнцем.

Поскольку от наклона плоскости экватора к эклиптике зависит контрастность в поступлении солнечного тепла на разные широты (чем больше угол, тем контрастность меньше), а также выраженность сезонов года (чем больше угол, тем выраженность сезонов выше), прецессия и другие возмущения движения Земли обусловливают периодические изменения режима поступления солнечной радиации на каждой широте.

В палеогеографии это используют для объяснения ритмических изменений климата, с которыми, в частности, связаны ледниковые эпохи (названия даны по альпийской шкале оледенений): гюнц (I-590, II-565), миндель (I-476, II-435), рисс (I-230, II-187), вюрм (I-115, II-72, III-25 тыс лет назад).

Суточное вращение Земли происходит вокруг оси, которая в силу гироскопического эффекта стремится сохранять постоянное положение в пространстве. Вращение Земли осуществляется равномерно. Отрезок времени между последовательными прохождениями плоскости меридиана данной точки через центр Солнца называют солнечными сутками. Земля вращается против часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса.

При этом угловая скорость вращения, т. е. угол, на который поворачивается любая точка на поверхности Земли, одинакова и составляет 15° в час. Линейная скорость зависит от широты: на экваторе она наибольшая -- 464 м/с, а географические полюса неподвижны.

Физическим доказательством осевого вращения Земли являются также измерения дуги 1° меридиана, которые доказывают сжатие Земли у полюсов, а оно свойственно лишь вращающимся телам. Также характерно отклонение падающих тел от отвесной линии на всех широтах, кроме полюсов. Причина этого отклонения обусловлена сохранением ими по инерции большей линейной скорости на высоте по сравнению с земной поверхностью. Падая, предметы отклоняются к востоку потому, что Земля вращается с запада на восток. Величина отклонения максимальна на экваторе. На полюсах тела подают вертикально, не отклоняясь от направления земной оси.

Географическими следствиями суточного вращения Земли являются:

1. Смена дня и ночи, т. е. изменение в течение суток положения Солнца относительно плоскости горизонта данной точки. С этим изменением связаны суточный ритм солнечной радиации, интенсивность которой зависит от угла наклона земной оси, ритмы нагревания и охлаждения, местной циркуляции воздуха, жизнедеятельности живых организмов.

Смена дня и ночи создает суточную ритмичность в живой и неживой природе. Суточный ритм связан со световыми и температурными условиями. Общеизвестен суточный ход температуры, дневной и ночной бризы и т. д. Очень ярко проявляется суточный ритм в живой природе. Известно, что фотосинтез возможен лишь днем (при наличии солнечного света), что многие растения раскрывают свои цветки в разные часы. Животных по времени проявления активности можно подразделить на ночных и дневных: большинство из них бодрствует днем, но многие (совы, летучие мыши, ночные бабочки) -- во мраке ночи. Жизнь человека тоже протекает в суточном ритме.

• 2. Ось вращения, полюсы и экватор являются основой географической системы координат. Экватор служит плоскостью симметрии, относительно которой размещаются пояса освещения, меняются величина солнечной радиации и другие важные параметры. От полушария (Северного и Южного) зависит направление силы Кориолиса, а от широты -- ее величина; полюсы не участвуют в суточном вращении.
• 3. Деформация фигуры Земли - сплюснутость с полюсов (полярное сжатие), связанная с возрастанием центробежной силы от полюсов к экватору. Сжатие нашей планеты у полюсов - результат ее осевого вращения. Раньше, когда Земля вращалась с большей скоростью, полярное сжатие было значительнее. Уменьшение экваториального радиуса и увеличение полярного сопровождалось тектоническими деформациями земной коры (разломы, складки) и перестройкой макрорельефа Земли.
• 4. Существование силы Кориолиса (геострофической или поворотной). Сила Кориолиса действует только на движущиеся тела, пропорциональна их массе и скорости движения и зависит от широты, на которой расположена точка. Чем больше угловая скорость, тем больше сила Кориолиса (т. е. с удлинением суток за счет действия приливного трения сила Кориолиса уменьшается). Последний фактор важен только в вековом аспекте, для небольших отрезков времени угловая скорость принимается постоянной.

Рис.2.2

Осевое вращение Земли вызывает отклонение тел, движущихся горизонтально (ветров, рек, морских течений и др.) от их первоначальных направлений: в северном полушарии -- направо, в южном-- влево. По закону инерции каждое движущееся тело стремится сохранить неизменными направление и скорость своего движения в пространстве. Отклонение -- результат того, что тело участвует как в поступательном, так и во вращательном (с запада на восток) движениях. На экваторе, где меридианы параллельны друг другу, направление их в мировом пространстве при вращении не меняется и отклонение равно нулю. К полюсам отклонение нарастает и становится у полюсов наибольшим, поскольку там каждый меридиан за сутки изменяет направление своего движения на 360°.Сила Кориолиса вычисляется по формуле:

где F -- сила Кориолиса,

m -- масса движущегося тела,

щ -- угловая скорость вращения Земли,

v -- скорость движущегося тела,

ц -- географическая широта.

Проявление силы Кориолиса в природных процессах весьма многообразно. Именно из-за нее в атмосфере возникают вихри разного масштаба, в том числе циклоны и антициклоны, отклоняются от градиентного направления ветры и морские течения, оказывая влияние на климат и через него на природную зональность и региональность, с нею связана асимметрия крупных речных долин. По Закону Бэра - Бабине -- согласно которому реки, текущие на равнинах Северного полушария, подмывают правые берега, и на южном -- левые, обусловливая асимметрию склонов долин. В основе лежит закон Кориолиса, согласно которому всякое тело, движущееся горизонтально у поверхности Земли, независимо от направления движения отклоняется в Северном полушарии вправо, в Южном -- влево, вследствие вращения Земли с запада на восток.

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

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.

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

Движение вокруг своей оси. Земля вращается с запада на восток, против часовой стрелки, при этом угловая скорость вращения, т.е. угол на который поворачивается любая точка на поверхности Земли, одинакова и составляет 15 градусов. Линейная скорость зависит от широты местности: на экваторе она максимальна и составляет 464 м/с, на полюсах скорость падает до нуля. Полный оборот вокруг своей оси наша планета производит за 23 часа 56 мин 4 сек. (сутки). За земную ось принимают воображаемую прямую линию, проходящую через полюса, вокруг которой вращается Земля. Перпендикулярно оси расположен экватор – это большой круг, образованный пересечением Земли, перпендикулярный оси вращения на расстоянии, равном от обоих полюсов. Если мысленно пересечь рядом параллельных экватору плоскостей, на земной поверхности появятся линии называемые параллелями. Они имеют направление запад-восток. Длина параллелей от экватора к полюсам уменьшается, соответственно уменьшается и скорость вращения точек. Если пересечь Землю плоскостями, проходящими через ось вращения то на поверхности возникают линии, которые называются меридианами. Они имеют направление север-юг, линейная скорость вращения точек на меридианах различна и от экватора к полюсам уменьшается.

Следствия движения Земли вокруг своей оси:

1. При вращении Земли возникает центробежная сила, которая играет важную роль в формировании фигуры планеты и тем самым уменьшает силу притяжения.

2. Происходит смена дня и ночи.

3. Появляется отклонение тел от направления их движения, этот процесс был назван сила Кориолиса (в честь французского ученого, открывшего это явление в 1835 году). Все тела по инерции стремятся сохранить направление своего движения. Если движение происходит относительно перемещающейся поверхности происходит отклонение этого тела слегка в сторону. Все тела, движущиеся в северном полушарии отклоняются вправо, в южном полушарии – влево. Данная сила проявляется во многих процессах: она изменяет движение воздушных масс, морских течений. По этой причине происходит подмыв правых берегов в северном полушарии и левых берегов в южном полушарии.

4. С осевым движением связаны явления суточной ритмичности и биоритмы. Суточный ритм связан со световыми и температурными условиями. Биоритмы – это важный процесс в развитии и существовании жизни. Без них невозможны фотосинтез, жизнедеятельность дневных и ночных животных и растений и, конечно же, жизнь самого человека (люди совы, люди жаворонки).

Значение астрономического положения Земли для ее природы:

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

2. Температурный режим Земли благоприятный.

3. Спутник Земли – Луна вызывает приливы и отливы.

Выделяются два основных типа движения Земли: по орбите вокруг Солнца и вокруг собственной оси вращения.

Орбита (от лат. orbita - колея, дорога) Земли - эллипс, близкий к окружности, в одном из фокусов которого расположено Солнце. Расстояние от Земли до Солнца изменяется в течение года от 147 млн км в перигелии (3 января) до 152 млн км в афелии (5 июля).

Длина орбиты более 930 млн км. Земля движется но орбите со средней скоростью около 30 км/с и проходит весь путь за год - за 365 сут. 6 ч 9 мин 9 с. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5°; направлена на Полярную звезду (в текущую астрономическую эпоху) и перемещается в пространстве параллельно самой себе в течение года. Указанные обстоятельства приводят к важнейшим географическим следствиям - смене времен года, неравенству дня и ночи, естественному суточному измерению времени.

При астрономических наблюдениях используются звездные сутки - промежуток времени между двумя последовательными наиболее высокими положениями звезды над горизонтом на меридиане точки наблюдения. В течение звездных суток Земля совершает полный оборот вокруг своей оси за 23 ч 56 мин и 4 с. В практических целях применяются солнечные сутки - промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через меридиан точки наблюдения (24 ч).

В повседневной жизни принят поясной счет времени. С этой целью всю поверхность земного шара разделили на 24 часовых пояса по 15° каждый. За поясное время принимается местное время среднего меридиана каждого пояса. Договорились, что нулевым и одновременно 24 поясом будет тот, посередине которого проходит Гринвичский меридиан. Приняли также, что посередине 12 пояса, примерно вдоль меридиана 180°, проложена линия перемены дат. Это условная граница, но обе стороны от которой значение времени совпадает, а календарные даты отличаются на одни сутки.

Если бы ось вращения Земли была перпендикулярна плоскости орбиты, то светоразделительная линия на ее поверхности {терминатор) проходила бы через оба полюса и делила бы все параллели пополам. При этом день был бы всегда равен ночи, солнечные лучи падали бы на экватор под прямым углом и смены времен года не было бы. Реальная картина освещенности планеты приводится на рис. 3.7.

Рис. 3.7.

и зимнего солнцестояния:

1 - освещенная половина (день); 2 - неосвещенная половина (ночь)

Наклон оси вращения Земли к плоскости орбиты и сохранение ориентировки оси в пространстве обусловливают различный угол падения солнечных лучей во времени. Соответственно наблюдаются различия в поступлении тепла на земную поверхность, а также неодинаковая продолжительность дня и ночи в течение года на всех широтах, кроме экватора. Деление терминатором всех параллелей пополам и равенство продолжительности дня и ночи наблюдается только в дни равноденствия - 21 марта (астрономическая весна) и 23 сентября (астрономическая осень).

22 июня земная ось северным концом обращена к Солнцу. В этот день - день летнего солнцестояния - солнечные лучи в полдень отвесно падают на параллель 23,5° с.ш. - так называемый северный тропик. Все параллели севернее экватора до 66,5° с.ш. большую часть суток освещены и на этих широтах день длиннее ночи. Севернее 66,5° с.ш. в день летнего солнцестояния территория полностью освещена Солнцем - там полярный день.

Параллель 66,5° с.ш. является границей, с которой начинается полярный день - это северный полярный круг. В день летнего солнцестояния на всех параллелях южнее экватора до 66,5° ю.ш. день короче ночи. Южнее 66,5° ю.ш. территория не освещена совсем - там полярная ночь. Параллель 66,5° ю.ш. - южный полярный круг. 22 июня считается началом астрономического лета в северном полушарии и астрономической зимы в южном полушарии.

22 декабря - в день зимнего солнцестояния - земная ось южным концом обращена к Солнцу. Солнечные лучи в полдень отвесно падают на параллель 23,5° ю.ш. - южный тропик. На всех параллелях южнее экватора до 66,5° ю.ш. день длиннее ночи. Начиная с южного полярного круга устанавливается полярный день. В этот день на всех параллелях севернее экватора до 66,5° с.ш. день короче ночи.

В результате наклона оси вращения и годового движения Земли на планете наблюдается пять поясов освещенности , которые формируют климатическую и природную зональность.

Жаркий пояс лежит между тропиками (северным и южным) и занимает около 40% земной поверхности.

Умеренные пояса (два) располагаются между тропиками и полярными кругами. Солнце в них никогда не бывает в зените. В течение суток обязательно происходит смена дня и ночи. Летом мы видим «белые ночи» вблизи полярных кругов (с 60 до 66,5°). Общая площадь умеренных поясов - 52% земной поверхности.

Холодные пояса (два) расположены к северу от северного и к югу от южного полярных кругов. Они отличаются наличием полярных дней и ночей, продолжительность которых увеличивается от одних суток на полярных кругах до полугода на полюсах. Их общая площадь - 8% земной поверхности.

С вращением Земли связан эффект Кориолиса , имеющий важное значение в физико-географических процессах. Из курса физики мы знаем, что движение жидкостей и газов над некоторой поверхностью в основном объясняется горизонтальными изменениями давления. Первоначально рассмотрим теорию такого движения в воздушной среде без учета вращения Земли. Очевидно, что элементарный объем воздуха, на который с трех сторон действует давление Р, ас одной стороны (х) - давление Р + Д Р (т.е. несколько большее), должен будет перемещаться в направлении оси X. Поэтому следовало бы ожидать, что ветры будут направлены из района с высоким давлением в районы с низким давлением, так как это направление совпало бы с направлением силы, действующей на воздух.

Что же показывают наблюдения? Метеорологические станции всего мира непрерывно измеряют различные характеристики погоды - атмосферное давление, температуру воздуха, направление и силу ветра, осадки, испарение и т.д. Эти данные передаются в национальные бюро погоды, где их собирают и анализируют, чтобы получить синоптический (одновременный) взгляд на погоду. Затем строят «карты погоды», на которых наблюдаемое распределение атмосферного давления на уровне моря изображается жирными линиями, связывающими точки с равными величинами давления (изобары). Кроме того, отмечаются показания о направлениях и скоростях ветра. На синоптической карте буквой (В) обозначаются области высокого давления воздуха, а буквой (77) - области низкого давления. С областями низкого давления воздуха связаны воздушные вихри, называемые циклонами, а высокого - антициклонами.

Исходя из рассмотренной «чистой» теории можно было бы ожидать, что ветер в нашем опыте будет дуть через изобары: от высокого давления к низкому. Однако анализ наблюдаемых направлений ветра показывает, что это не так. Вместо движения через изобары ветер дует вдоль них: в циклонах - против часовой стрелки, а в антициклонах - по часовой стрелке в северном полушарии, а в южном - наоборот. Таким образом, ветер приблизительно перпендикулярен направлению силы, обусловленной горизонтальными изменениями давления.

На первый взгляд, данные о ветре кажутся нам странными и противоречащими теории. Но теория не является неверной, она лишь несовершенна, так как в своих рассуждениях мы не учитывали вращение Земли. Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, то ветер действительно дул бы из районов высокого давления воздуха в районы его низкого давления.

Вращение Земли играет очень важную роль в формировании геосферных процессов. Под его влиянием возникает сила, отклоняющая движущиеся тела вправо в северном полушарии и влево - в южном. Впервые научное объяснение отклоняющей силе вращения Земли дал французский физик Г. Г. Кориолис в 1835 г. Сила Кориолиса уравновешивает градиент давления. Приближенный баланс между силой Кориолиса и градиентом давления существует нс только в атмосфере, но и в океане.

Ускорение Кориолиса всегда направлено под прямым углом к вектору скорости V (см/с) и у полюсов достигает максимальных значений. Его величина уменьшается пропорционально синусу широты ср до нуля на экваторе: ускорение Кориолиса = 1,5 10 4 х х V ? sin ф (см/с 2).

Ускорение Кориолиса действует подобно неполной преграде между полюсом и экватором. В результате движение воды к полюсу частично задерживается, и для переноса такого же количества тепла, как и в случае отсутствия барьера, требуется большее различие температур. По обе стороны от преграды возникает быстрая циркуляция, но через преграду обмен воды, а следовательно, и тепла будет ослаблен. Аналогичный термический барьер, обусловленный силой Кориолиса, наблюдается и в атмосфере. В океане положение усложняется географическим распределением суши и моря.

Примером влияния вращения Земли на циркуляцию в Мировом океане могут служить сильные западные пограничные течения в северном полушарии - это Куросио в Тихом океане и Гольфстрим в Атлантике. Известно, что западные пограничные течения лучше развиты в северном полушарии, чем их аналоги в южном. Причины этого пока еще не выяснены. Отклоняясь от азиатского и североамериканского побережий вправо почти иод углом в 45°, потоки Куросио и Гольфстрима пересекают океан с запада на восток в районе сороковой параллели. Совместно с изменением плотности воды по горизонтали они приводят к образованию Северо- Тихоокеанского и Северо-Атлантического течений, а также к увеличению температурного различия между экваториальными и полярными водами.

Движения Земли влияют на формирование приливов и отливов в Мировом океане. Связь приливов с фазами Луны отмечалась издавна. Но впервые правильно объяснить это явление удалось И. Ньютону в опубликованных им «Началах» (1687). Дальнейшая разработка теории приливов была проведена Лапласом. Он рассмотрел приливы как крупные волны с периодом от 0,5 до 1 суток. Приливо-отливные волны не что иное, как колебания поверхности Мирового океана относительно его среднего уровня под влиянием притяжения Земли Лупой и Солнцем. Причем приливообразующая сила Луны, из-за ее близости, в 2,17 раза больше приливообразующей силы Солнца. За лунные сутки, которые на 50 мин длиннее солнечных, на Земле наблюдается два прилива и два отлива. Максимальная высота приливной волны в 18 м наблюдается в заливе Фанди между Брансуиком и Новой Шотландией (Канада).

Приливные колебания, вызываемые гравитационными воздействиями Луны и Солнца на вращающуюся Землю, образуют главные полусуточный и суточный лунные приливы с периодами около 12 ч 25 мин и 24 ч 50 мин и главные полусуточный и суточный солнечные приливы с периодами в полсуток и сутки. Взаимодействие указанных сил носит сложный характер вследствие различий в положении Солнца и Луны относительно друг друга и влияния вращения Земли. Однако главное свойство приливо-отливных колебаний заключается в образовании реверсивных течений: при приливе масса воды устремляется к берегу, а при отливе - от берега. При этом прилив менее продолжителен по времени, чем отлив. Соответственно, скорость приливного течения выше скорости отливного течения.

Известно, что в зависимости от сочетания сил лунного и солнечного притяжения величина прилива в течение лунного месяца (28 дней) дважды достигает своего максимального и минимального значений. Кроме того, приливы меняются по сезонам. В периоды полнолуния и новолуния приливы оказываются наибольшими (так называемые сизигийные приливы). Минимальные приливы называются квадратурными , поскольку они наблюдаются во время квадратур, т.е. первой и третьей четвертей фаз Луны. Наибольшая величина приливов в сизигии объясняется тем, что при новолунии и полнолунии Луна и Солнце находятся приблизительно на одной прямой с Землей и векторы нриливообразующих сил складываются, а в квадратурах они действуют под прямым углом друг к другу, вследствие чего во время этих лунных фаз приливы становятся наименьшими. Большие различия в амплитуде приливов на разных участках побережья определяются главным образом формой океанических бассейнов.

Благодаря важности приливов для судоходства их изучением занимались многие светила мировой науки. После Ньютона и Лапласа проблему приливов изучали величайшие математики XVIII в., однако практический вклад в прогноз приливов внес физик лорд Кельвин. В 1870 г. он высказал идею, согласно которой высоту прилива в любом месте можно предсказать, представив различные его составляющие в виде функции от известных движений Солнца и Луны. Для удобства вычислений Кельвин сконструировал первую в мире аналоговую машину. Им были построены таблицы высоты приливов для различных портов мира. Истинная картина распределения высоты приливов у побережья Мирового океана показана на рис. 3.8.

Рис. 3.8.

Наконец, рассмотрим инерционные колебания (воздуха, воды). К ним относятся движения на поверхности уровня в отсутствии внешних сил, в частности, барического градиента и трения, в условиях вращающейся Земли, т.е. при наличии отклоняющей силы вращения Земли. Отклоняющая сила при инерционных движениях уравновешивается центробежной силой. Инерционные движения происходят по криволинейной траектории (в северном полушарии по часовой стрелке, в южном - против). Траектория инерционных движений кругообразна (так называемый круг инерции).

В качестве примера продемонстрируем формирование инерционной циркуляции в южной части Балтийского моря по результатам экспедиционных исследований. Программа наших экспериментов предусматривала многосуточные наблюдения за парой специальных буев, выпускаемых с борта корабля и наблюдаемых с помощью судового локатора. Буи представляли собой собранные на основе ажурной конструкции параллелепипеды со сторонами 1,5 1,0 м, снабженные мачтами с металлическими отражателями наверху и отвесами внизу. Непрерывная регистрация положения буев в пространстве после их одновременного выпуска с корабля позволяла получать траектории движения. В частности, на рис. 3.9

показана одна из таких траекторий, зарегистрированная инструментальными наблюдениями в море. Можно заметить периодические движения по замкнутым эллиптическим орбитам через 14,8 ч.

Полученная величина периода колебаний в указанном районе связывается именно с инерционными волнами.

Рис. 3.9.

Траекгории движения в море двух дискретных индикаторов (1,2) построены по данным эксперимента в Рижском заливе. Цифрами у точек обознается астрономическое время; х, у - декартовы оси координат; ось у направлена на север.

Рассмотренные главные движения Земли - по орбите вокруг Солнца и осевое вращение - формируют смену времен года, климатическую зональность, неравенство дня и ночи, а также создают суточную ритмичность в живой и неживой природе.

Движение Земли вокруг Солнца и его географическое следствие (годовое)

Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите со скоростью 30 км/с. Длина этой орбиты - 930 млн. км, а полный оборот Земля совершает за 365 суток 6 часов 9 минут и 9 секунд (звездный год). Земная ось наклонена к плоскости орбиты на 66,5? и этот наклон постоянно сохраняется. Вследствие этого солнечные лучи падают на земную поверхность неравномерно. Неравномерно поступает и тепло от Солнца. Это приводит к неодинаковой продолжительности дня и ночи на всех широтах (кроме экватора) и к смене времен года на нашей планете.

Путь движения Солнца между этими четырьмя точками (равноденствия и солнцестояния) делится на секторы по 90? каждый. Прохождение Солнцем по каждому из секторов вызывает на Земле смену времен года (осень, зима, весна, лето). Когда Земля поворачивает к Солнцу свое Северное полушарие, во всех странах, расположенных севернее экватора, наступает лето и удлиняется день, а в странах к югу от экватора наступает зима и укорачивается день.

Эллиптичность орбиты годового движения Земли приводит к изменениям скорости ее движения вокруг Солнца. Находясь в перигелии (ближе всего к Солнцу), Земля имеет максимальную скорость движения, поэтому осень и зима в Северном полушарии короче остальных сезонов, в Южном полушарии - лето короче, а зима длиннее.

Географические следствия движения Земли - явления, вызванные разными видами движения Земли и оказывающие влияние на форму Земли, природные процессы и жизнь человека: смена дня и ночи, смена времен года, отклонение движения тел под воздействием ускорения Кориолиса, приливы, отливы и др.

1) Белые ночи - светлые ночи, когда вечерние сумерки смыкаются с утренними, и ночная темнота не наступает. Белые ночи наблюдаются в обоих полушариях на широтах свыше 60 град. В Санкт-Петербурге белые ночи продолжаются с 11 июня по 2 июля, в Архангельске с 13 мая по 30 июля. За полярным кругом белые ночи предшествуют полярному дню и наблюдаются некоторое время после его окончания.

2) Смена времен года;

3) Закон миграции речного русла - в физической географии - закон, согласно которому реки в результате отклоняющего действия вращения Земли вокруг ее оси имеют тенденцию смещать свое русло в северном полушарии вправо, а в южном полушарии - влево. Следствие : У рек Северного полушария правый берег обычно крутой, а левый - пологий.

4) Полярная ночь - период, когда Солнце в высоких широтах многие сутки не поднимается над горизонтом; явление, противоположное полярному дню; наблюдается одновременно с ним на соответствующих широтах другого полушария.

5) Полярный день - период, когда Солнце в высоких широтах многие сутки не опускается за горизонт. Продолжительность полярного дня тем больше, чем дальше к полюсу от полярного круга. На полярных кругах Солнце не заходит только в день солнцестояния, на 68 град. широты полярный день длится около 40 суток, на Северном полюсе - 189 суток.

6) Равноденствие - момент времени, когда Солнце при своем видимом годичном перемещении по эклиптике пересекает небесный экватор: солнечные лучи касаются обоих полюсов, а земная ось перпендикулярна лучам. Весеннее равноденствие бывает 21-22 марта, осеннее - 22-23 сентября. При равноденствии Северное и Южное полушария освещены одинаково, на всей Земле (исключая районы полюсов) день равен ночи, на одном полюсе Солнце восходит, на другом - заходит.

7) Системы счета времени - способы отсчета интервалов времени путем сравнения их с принятыми основными единицами, в качестве которых используются различные естественные или искусственные периодические процессы: обращение Земли вокруг Солнца, вращение Земли, качание маятника, колебание кварцевой пластинки и т.д. Установлением и контролем систем счета времени занимаются национальные и международные службы времени.

8) Солнцестояние - момент прохождения центром Солнца точек эклиптики, наиболее удаленных от экватора (точек солнцестояния). Различают летнее и зимнее солнцестояние.

В день летнего солнцестояния (21-22 июня) достигается самая большая продолжительность дня в Северном полушарии. В Южном полушарии в это время самый короткий день.

В день зимнего солнцестояния (21-22 декабря) картина обратная: самый короткий день в Северном полушарии, самый длинный - в Южном.

9) Ускорение Кориолиса - ускорение относительно поверхности Земли, испытываемое любым движущимся телом вследствие того, что вращающаяся Земля не является инерциальной системой координат.

Ускорение Кориолиса связано только с подвижной системой отсчета.

Ускорение Кориолиса в Северном полушарии направлено вправо по отношению к направлению движения, в Южном - влево, и равно нулю на экваторе, а максимальное значение имеет на полюсах; его величина не зависит от направления движения.