Вращение Земли вокруг Солнца

Звездное небо всегда привлекало людей. Еще в глубокой древности было замечено, что каждая звезда периодически повторяет свой путь на ночном небе.

Это наводило древних ученых на мысль, что в мире что-то вращается — либо Земля относительно неподвижного звездного неба, либо наоборот. Вопрос запутался совсем, когда греческий астроном Гиппарх, живший во II в. до н. э, обнаружил, что некоторые звезды появляются в расчетных точках небесной сферы несколько раньше, чем они появлялись 150 лет назад, о чем свидетельствовали труды его предшественников, греческих астрономов Тимохариса и Аристилла. Уверенный в своих расчетах и не смея усомниться в достоверности результатов своих предшественников, Гиппарх сделал вывод, что звезды достаточно медленно, но все-таки меняют видимое с Земли положение на небесной сфере, сходят со своих круговых путей. Это явление получило название прецессии, что означает «иду впереди», «предшествую». Позже, когда Ньютон объяснил явление прецессии Земли, этот термин стал применяться для обозначения специфического движения волчков и гироскопов.

Через 300 лет после Гиппарха вопрос о том, что вращается: Земля или небо, получил определенность. Выдающийся древнегреческий ученый, астроном, географ и картограф Клавдий Птолемей (II в. н. э.) сумел убедить всех — Земля неподвижна, вращаются Солнце и небо. Началось тысячелетнее владычество ошибочной геоцентрической системы мира, которая не могла объяснить прецессии Земли и многих других явлений, но с этим мирились.

Однако Птолемей не только ошибался. Почтой правильным было его мнение по другому спорному тогда вопросу — о форме Земли. В противоположность многим фантастическим представлениям о форме Земли, существовавшим в древние времена, Птолемей считал, что Земля имеет форму шара.

Однако форма Земли — не совсем шар, и это, «опираясь на плечи гигантов», доказал Ньютон.

На постаменте памятника одному из «гигантов» — Николаю Копернику высечено: «Остановивший Солнце, двинувший Землю». Полна драматизма борьба за признание гелиоцентрической системы мира — погиб в пылающем костре Джордано Бруно, унижен судом инквизиции престарелый Галилей, но «…все-таки она вертится!»

Да, Земля движется в абсолютном пространстве, и этому найдено множество доказательств. В настоящее время твердо установлено, что Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток со скоростью один оборот в сутки (примерно 15°/ч), вращается вокруг Солнца со скоростью один оборот в год (примерно 0,04°/ч), прецессирует, совершает нутационные колебания и спиралевидное движение в пределах Галактики.

Но вернемся к прецессии… Новаторские идеи Ньютона, безоговорочно принятые в Англии, не нашли поддержки среди значительной и влиятельной части ученых континентальной Европы. Центром антиньютоновского движения почти до середины XVIII в. была Парижская академия наук. Знаменитый Вольтер, побывавший в Англии и ставший здесь на сторону ньютонианцев, в своих популярных «Началах ньютоновской философии» писал: «В Париже вселенную видят наполненной эфирными вихрями; здесь же в том же мировом пространстве ведут свою игру невидимые силы. В Париже приливы и отливы морей вызываются давлением Луны, в Англии, напротив, моря тяготеют к Луне… Наконец в Париже Землю изображают удлиненной у полюсов, подобно яйцу, в Лондоне же, напротив, Земля уплощена, как дыня».

Схема, поясняющая прецессию Земли Ньютон оказался прав. Точные измерения, проведенные позднее, показали, что Земля — не идеальный шар, а тело вращения, сжатое в направлении оси полюсов. Оказалось, что экваториальный радиус Земли равен 6378 км, а полярный — 6357 км, то есть на 21 км меньше.

Чтобы объяснить явление прецессии Земли, Ньютон представил действительную форму Земли как идеальный шар с массивным поясом на экваторе толщиной 21 км, на отдельные участки которого действуют разные по величине открытые им силы тяготения. В частности, он рассматривал силы тяготения между Солнцем и участками пояса, а также между Луной и участками пояса. Проследим за рассуждениями Ньютона, рассматривая для примера только силы притяжения Солнца. На рис. 4 изображена модель Земли, предложенная Ньютоном.

Известно, что ось суточного вращения Земли наклонена к плоскости орбиты годового вращения Земли на угол 66°33′. В результате этого одна часть (А) массивного экваториального пояса оказывается над плоскостью орбиты, а другая часть (В) — под плоскостью орбиты На обе эти части действуют силы притяжения Солнца Fа и Fв. Так как часть пояса В расположена ближе к Солнцу, чем часть А, то согласно закону тяготения Ньютона, сила Fв будет больше силы Fa. Линии действия сил Fа и Fв не проходят через центр масс шаровой части Земли, поэтому обе силы создают встречно направленные моменты, действующие вокруг одной из осей, лежащей в экваториальной плоскости Земли. Поскольку сила Fв больше силы Fa, а плечи их равны, то и создаваемый ею момент больше; следовательно, результирующий момент сил Fа и Fв будет направлен так же, как и момент силы FB. Если считать, что векторы сил Fа и Fв лежат в плоскости рисунка, то вектор результирующего момента М в соответствии с ранее принятыми правилами будет составлять прямой угол с этой плоскостью и направлен на нас. Вся черновая работа сделана, начинаем собирать плоды… Используем наши гироскопические знаний. Итак, перед нами гигантский волчок — планета Земля, имеющий кинетический момент H. К этому гигантскому волчку приложен результирующий момент сил тяготения М.

Следовательно, волчок-шар начнет процессировать, пытаясь совместить по кратчайшему пути вектор Н с вектором М. Аналогичное движение Земли вызовут и силы притяжения Луны. Так как в процессе вращения вокруг Солнца и Земля и Луна непрерывно изменяют свое положение в мировом пространстве, то, естественно будет непрерывно изменяться в пространстве и направление вектора момента Млс (действующих на земной шар сил притяжения Луны и Солнца). В результате этого земная ось совершает в пространстве сложное движение, которое приближенно можно представить как кону сообразное, происходящее вокруг оси годового вращения Земли. Угловая скорость прецессии Земли определяется путем деления величины возмущающего момента сил тяготения Млс на величину кинетического момента Земли Н.

Вычисления показали, что, прецессируя, Земля совершает один оборот за 25 800 лет, или скорость прецессии составляет около 50 угловых секунд в год. Оказывается это не так мало. Например, через каждые 72 года угол между осью вращения Земли и направлением на Полярную звезду возрастает на 1°. В 7500 г. ось вращения Земли будет направлена на одну из звезд созвездия Цефей, а в 14000 г. Полярной звездой станет Вега. О всех интересных явлениях, вызванных вращением Земли нет возможности рассказать в этой книге, поэтому читателям предлагаются несложные задачи для самостоятельного решения. Во всем мире знают нашу песню «Катюша». А нельзя ли из строчек:

Выходила на берег Катюша,

На высокий берег, на крутой

определить, по какому берегу реки — левому или правому — гуляла Катюша?

Еще в прошлом веке начались споры о том, бывали ли в экваториальных зонах Американского континента европейцы или африканцы до походов Колумба. И Атлантический океан с его ветрами и течениями — преграда или, наоборот, гигантская «транспортерная» лента между Старым и Новым Светом? Ответить на эти вопросы будет проще, если указать, в каком направлении в экваториальных зонах Атлантического океана дуют постоянные ветры (пассаты) и текут воды океана.

Если не упускать из виду, что Земля вращается, и вспомнить о кориолисовых ускорениях и силах инерции, то на подобные вопросы нетрудно дать правильные ответы.

Но вернемся к вопросу о форме Земли. Действительная форма Земли сложна, и это порождает множество тонких эффектов, которые исследуют и учитывают в практической деятельности специалисты. Для наших целей вполне допустимо считать Землю идеальным шаром. Будем также приближенно считать, что направление силы тяжести (направление отвесной линии) совпадает с направлением к центру шарообразной Земли, то есть с радиусом Земли.

Направление отвесной линии (радиуса Земли) будем называть вертикалью, а плоскость, перпендикулярную ей, горизонтальной плоскостью.

Таким образом, в каждой точке поверхности Земли имеется свое направление вертикали и своя горизонтальная плоскость.

Шарообразная модель вращающейся Земли Еще древние греки предложили очень удобную систему указания положения любой точки на поверхности Шарообразной Земли. Они мысленно проводили радиус в выбранную точку на поверхности Земли (например, в точку А) и характеризовали положение этого радиуса двумя угловыми координатами, которые стали называться широтой и долготой. За начало отсчета широты принималась плоскость, перпендикулярная к прямой, соединяющей полюса Земли — северный N и южный S и делившей земной шар на две равные половины — северную и южную. Линия пересечения этой плоскости с поверхностью Земли стала называться экватором, что в переводе на русский язык значит «делитель». Любые другие плоскости, параллельные плоскости экватора, дают при пересечении с поверхностью Земли окружности, которые называются параллелями.

За начало отсчета долготы принималась одна из плоскостей, которая проходила через линию NS, соединявшую полосы. Таких плоскостей можно провести много, и все они будут равноправны; пересекаясь с поверхностью Земли, эти плоскости дадут окружности, которые называются меридианами. Все меридианы, постепенно сближаясь, пересекаются на полюсах Земли.

Птолемей считал, что начальный меридиан следует провести через самую западную точку суши, известную древним грекам. Такой точкой была западная оконечность острова Ферро в группе Канарских островов. Узаконить это предложение пытались на конгрессе математиков и астрономов в 1636 г. Однако из этого ничего не получилось. Каждая морская держава хотела иметь свой начальный меридиан. Англия вела отсчет долготы от меридиана, проходившего через Гринвич, Россия считала начальным Пулковский меридиан, Франция — Парижский. Лишь в 1884 г. морские державы пришли к соглашению, с тех пор отсчёт долготы Ведется от Гринвича. Гринвичский меридиан разделил земной шар на Западное и Восточное полушария.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.