Ритми Землі і Місяця »ОКО ПЛАНЕТИ інформаційно-аналітичний портал

1. добовий ритм
2. 5.2.2 Нерівномірності обертання Землі
3. 5.2.2.1 прецессия
4. 5.2.2.2 Припливи і уповільнення обертання Землі
5. Рейтинг Публікації:

добовий ритм

З космосу наша Земля виглядає як обертається блакитну кулю, що летить разом зі своїм природним супутником (Місяцем) і декількома тисячами штучних супутників (рис. 28 ) Навколо Сонця. Тверде железокаменних тіло Землі оточене водою-гидросферой (близько 70% поверхні) і газової оболочкой- атмосферою, що складається в основному з азоту (78%) і кисню (21%).

Більшість змін в оточуючих нас полях відбувається в добовому ритмі, який виникає через обертання Землі в просторі. Розглянемо тому спочатку чисто механічні аспекти обертання Землі і лише потім простежимо за ритмічними змінами, які це обертання накладає на постійну складову полів.

Період обертання Землі є проміжок часу, за який вона робить один оборот щодо певного напряму. Якщо фіксувати напрямок на нерухомі зірки, виходять зоряна доба. Направлення на Сонце дає сонячні добу. Тривалість зіркових і сонячної доби різниться тому, що Земля не тільки обертається навколо своєї осі, а й обертається навколо Сонця. Тривалість сонячної доби (як проміжку часу між двома однаковими положеннями Сонця на небі) протягом року злегка варіюється, оскільки орбіта Землі не окружність, а еліпс. Тому, обчислюючи час, користуються поняттям середніх (за рік) сонячної доби.

Земля обертається в просторі як гігантський дзига або, якщо використовувати термін з механіки, як гіроскоп. Гіроскопи широко використовуються в техніці (особливо в авіації, космонавтиці, у флоті) через їх чудового властивості: при будь-яких умовах зберігати напрямок осі обертання в просторі незмінним. Це властивість гіроскопа робить його незамінним в приладах, що забезпечують орієнтацію і стабілізацію корабля (повітряного, космічного, морського) в просторі.

Земля-гігантський космічний гіроскоп. Вісь обертання Землі (полярна вісь) "дивиться" в одному напрямку. Ця уявна вісь проходить через тіло Землі, "протикає" його в полюсах (північному і південному) і, якщо дивитися з Землі, вказує в напрямку Полярної зірки. Обертаючись навколо своєї осі, Земля обертається навколо Сонця, але напрямок осі обертання Землі залишається практично незмінним 17 . Важливо знати кут нахилу осі обертання Землі до площини земної орбіти-екліптиці. Він становить 66o 33 '. Цю цифру легко запам'ятати. До того ж вона зустрічалася на уроках географії (широта полярного кола). Різниця 90o і 66o 33 'дає кут між двома площинами: земного екватора і земної орбіти: 23o 27'. Цей кут також фігурує на географічних картах- це широта тропіків.

А як нахилені екватора інших планет до площини екліптики? Досить запам'ятати три цифри: 0o, 90o і 30o. Меркурій, Венера і Юпітер практично не мають нахилу (~ 0o). Дві планети-Уран і Плутон - обертаються разом зі своїми супутниками "лежачи на боці" (~ 90o). Вони як би "котяться" по орбіті. Екватор інших планет (Землі, Марса, Сатурна і Нептуна) нахилені до екліптики на кут трохи менший 30o (в межах 26o3 -).

Ми говорили про нахил по відношенню до площини орбіти Землі (до екліптики). Але можна було говорити і з більш загальних позицій. Справа в тому, що площина орбіти Землі з точністю до декількох градусів збігається з площиною екватора Сонця і з площинами орбіт інших планет (лише у Плутона площину орбіти нахилена до екліптики на 17o). Так що практично можна говорити про єдину площині сонячної системи, як ми говоримо, наприклад, про площині Галактики.

Неважко порахувати швидкість, з якою ми рухаємося в результаті осьового обертання Землі. Потрібно розділити довжину окружності тієї паралелі, на якій ми знаходимося, на час повного обороту (близько 24 годин). Відповідна довжина кола дорівнює довжині кола екватора, помноженої на косинус географічної широти даного місця. Так, на екваторі Землі лінійна швидкість обертання дорівнює 1670 км / год або близько 0.5 км / с. Якщо ми знаходимося на "верхівці Землі" - на північному полюсі, то ми просто повертаємося на місці: один поворот на 360o за добу. І формула показує, що в цьому випадку лінійна швидкість дорівнює нулю: географічна широта полюса дорівнює 90 -, а косинус 90o дорівнює нулю. На широті 60o лінійна швидкість вдвічі менше, ніж на екваторі (косинус 60o дорівнює 1/2). Отже, Санкт-Петербург обертається зі швидкістю 835 км / год. Москва і Єкатеринбург (широта 56o і 57o) обертаються трохи швидше, зі швидкістю 900 км / год.

Кілька слів про осьовому обертанні планет. Маленькі залізо-кам'яні планети (планети "земної групи") обертаються порівняно повільно. Особливо "відрізняються" Меркурій і Венера, тривалість дня на яких становить 176 і 2760 земних днів, відповідно. Найшвидше обертання у планет-гігантів. Юпітер і Сатурн роблять один оборот приблизно за 10 годин, а Уран і Нептун приблизно за 18 годин. Через настільки швидкого обертання форма планет-гігантів помітно відрізняється від сферичної. Обертові планети як би сплюснені у полюсів, так що їх екваторіальний радіус Rекв помітно більше, ніж полярний Rпол (відстань від центру до полюса).

Як утворюється сплюснутістю? На тіло, розташоване на поверхні обертової планети діє сила, рівна векторній сумі гравітаційної та відцентрової сил (рис.). На полюсах ця сила більше, ніж на екваторі, тому що обертається небесне тіло виявляється сплюсненим біля полюсів. Ставлення центростремительного і гравітаційного прискорень w 2 R / g = w2R3 / MG- основний параметр, від якого залежить фігура обертається планети. Стиснення планети-відносне відхилення її поверхні від сфери- близько до відношенню прискорень:

Стиснення Сатурна становить 1 / 9.5, тобто у Сатурна екваторіальний радіус на 10% більше, ніж полярний. Земля обертається повільніше Сатурна. Стиснення Землі одно лише 1/300, її екваторіальний радіус більше полярного всього на 0.3%, а саме на 21,4 км. Таким чином, наша планета має невелике потовщення у екватора. Це потовщення є однією з причин повільного (з періодом 25800 років) обертання полярної осі. Дане явище називається прецесією осі обертання Землі.

Рис.34: Стабільна фігура обертається планети або зірки. Вектор прискорення вільного падіння g є векторна сума гравітаційного і відцентрового прискорень і в кожній точці поверхні спрямований по нормалі (перпендикулярно) до поверхні

5.2.2 Нерівномірності обертання Землі

5.2.2.1 прецессия

Обертання Землі не є ідеально рівномірним. Нерівномірність ця дуже мала, її можна помітити тільки за допомогою тонких астрономічних спостережень. Злегка змінюються і швидкість обертання, і напрямок осі обертання. І в тому і в іншому випадку є зміни повільні, регулярні (їх називають віковими), а є швидкі, нерегулярні.

Повільні зміни швидкості і напрямку осі обертання викликані гравітаційним впливом Місяця і Сонця, але перш за все Місяця.

Одне з них- вже згадана прецесія осі обертання Землі з періодом 25800 років. Розглянемо якісно це явище.

Обертається дзига (дзига) веде себе не так, як невращающейся, - він не падає на бік, а продовжує крутитися. При цьому вісь обертання дзиги прецессирует, описує конус. Так само і вісь Землі прецессирует навколо перпендикуляра до екліптики (рис.). Кут між віссю і перпендикуляром до екліптики e = 23o 26'30 '', тому розчин конуса на рис. дорівнює 2 x 23o 26'30 '' = 46o 53 '. На малюнку показана схема виникнення прецесії земної осі.

Зображено "тор місячних орбіт": область простору навколо Землі, всередині якого рухається Місяць. Орбіта Місяця гойдається щодо площини екліптики (площини земної орбіти), Місяць опиняється то ближче, то далі від Землі, але при цьому ніколи не виходить за межі тора.

Рис.35: Тор всіляких місячних орбіт і сили, що викликають прецесію Землі

Якби Земля була ідеально круглої, прецесії не виникало б. Причина прецессіі- гравітаційне тяжіння до Місяця екваторіальних потовщень земної фігури. "Зайва" маса на екваторі Землі притягається Місяцем. Створюється момент сил (вони показані на рис. 35 ), Що прагнуть розгорнути дзига, зменшити нахил осі обертання Землі. Але, за законами обертових тіл, натомість виникає повільне обертання сам \ 'ой осі обертання- прецесія.

Якби Місяця не було, земна вісь все одно прецессировать б під аналогічним впливом Сонця і планет, але період прецесії був би тоді не 25800 років, а в кілька разів більше (близько 100 тис. Років).

Сумарний гравітаційний вплив сонячної системи викликає не тільки прецесію з постійним кутом нахилу e, а й призводить до повільного зміни самого кута нахилу земної осі. Період коливань кута e становить 41 тис. Років, при амплітуді 2,5o. Ці невеликі зміни нахилу осі Землі до площини екліптики укупі зі змінами параметрів самої орбіти Землі (коливання ексцентриситету, зміщення перигелію земної орбіти) задають ритм змін клімату Землі (див. Нижче).

5.2.2.2 Припливи і уповільнення обертання Землі

Встановлено, що обертання Землі поступово сповільнюється. Причиною уповільнення є Місяць, її приливної вплив на Землю.

Народи античного світу були мало знайомі з явищем припливів. Лише воїни Олександра Македонського в III в. до нашої ери зустрілися з цим явищем під час походу в Індію. Ось як описує це римський історик Курціус Руф.

"Вони повільно просувалися далі і, досягнувши острова посеред моря, кинули якір і розсіялися по острову в пошуках провіанту, не підозрюючи про ту подію, яке очікувало їх, необізнаних. Була третя година, коли океан став насуватися і заливати річку. Утворилася загата, але подальший натиск океану ще більше погнав річку назад і вона з величезною силою потекла в протилежному напрямку, падаючи, подібно водоспаду по покатом руслу. Юрбі була незнайома природа моря, і вона побачила це чудо і знамення гніву богів. Вода ж з більшою силою стала за ивать поля, колишні щойно вільними від води. Ось кораблі з'явилися на хребтах хвиль і весь флот розсіявся в різні боки. У цей час з усіх боків стали стікатися до берега перелякані люди, які прийшли в жах від несподіваного нещастя.

Приплив залив все поля, так що одні тільки вершини їх виступали подібно маленьким острівців. До них в страху стали поспішати дуже багато, втративши надію дістатися до кораблів. Частина флоту перебувала там, де вода була глибока, де до припливу були долини, частина сиділа на мілині там, де хвилі ледь покривали піднесення. Але раптом сталося щось нове і ще жахливіше: море стало відступати, води довгими рядами хвиль стали повертатися до свого місця і знову оголювати тільки що залиту землю. Кораблі, залишені водою, стали заглиблюватися одна об одну і деякі лягли на бік. Поля були покриті речами зброєю і уламками відірваних дощок і весел. Солдати не сміли ні ступити на берег, ні залишатися на кораблях, все ще чекаючи подальшого і гіршого. Вони ледь вірили своїм очам: корабельна аварія на суші, протягом на море. Нещастю не було видно кінця: не знаючи того, що приплив скоро поверне і води, і зніме кораблі з мілини, вони побоювалися голоду і найбільшої потреби. Там і сям повзали страшні тварини, залишені хвилями.

Настала ніч, і сам Олександр був глибоко засмучений, зневірившись у порятунку. Але ці турботи не подужали його непереможною сміливості, і він всю ніч залишався на вершині гори, і вислав вершників до витоку річки з наказом, як тільки вони побачать нову хвилю моря, поспішити до нього. Наказав він також розбиті кораблі знову виправити, перевернуті хвилями поставити прямо і бути готовими до того часу, коли море знову заллє сушу. Так провів він всю ніч, коли не спимо і спонукаючи до діяльності, як раптом прискакали вершники і слідом за ними так само швидко встиг прилив. Спочатку дрібні і слабкі хвилі стали знімати кораблі, але незабаром все поля знову були залиті водою і весь флот був приведений в рух. По всьому березі пролунав грім оплесків солдатів і моряків, безмірно раділи своєму порятунку, в якому вони вже зневірилися. Звідки ж, запитували вони в подиві, так раптово повернувся цей морський приплив? Куди він вчора зник? І що це за елемент, нікому не покірний, але підлеглий закону певних часів? "

Відповідь на останнє запитання була дана в кінці XVII ст. Ньютоном, пояснити походження припливів і створив їх першу теорію. Причина припливів і отлівов- гравітаційний вплив Місяця і Сонця, точніше те обурення, яке вносять Місяць і Сонце в гравітаційне поле Землі.

Гравітаційне поле Землі в першому наближенні можна представити як поле масивного кулі. При цьому на кожне тіло, що знаходиться на поверхні Землі, діє сила тяжіння, спрямована до центру Землі. Ця сила залежить від маси тіла і називається вагою цього тіла. Тяжіння Місяця діє таким чином, що створює добавку до ваги тіла. Ця добавка називається приливної силою і може бути спрямована як до центру Землі (тоді вага тіла збільшується), так і від центру (вага тіла зменшується). На рис. показані величина і напрямок припливної сили (добавки до сили тяжіння Землі) в різних точках поверхні Землі. Як видно з цього малюнка, приливна сила залежить від положення точки по відношенню до напрямку на Місяць.

Рис.36: Розподіл приливних сил на поверхні Землі

Наскільки велика добавка до ваги тіла, створювана Місяцем? Це дуже маленька величина. Приливна сила змінює вагу тіла всього на одну дев'ятимільйонному частку: збільшує, якщо Місяць на горизонті і зменшує, якщо вона над головою.

Аналогічно діє Сонце. Воно незмірно масивніше Місяця, проте приливна сила Сонця через його віддаленості виявляється вдвічі менше місячної. Приливні сили Місяця і Сонця складаються за правилом додавання векторів. Сума максимальна, коли вони знаходяться на одній лінії або близько до того, тобто в періоди молодиків, повень і особливо затемнень.

Приливні сили діють на будь-яке тіло. Людина вагою 100 кг під час сильного припливу "втрачає у вазі" до 20 мг. Втім, набагато сильніші перевантаження ми відчуваємо в ліфті, автомобілі, літаку і т.п.

Приливні сили злегка витягають атмосферу Землі в бік Місяця. Вони викликають деформацію твердого тіла Землі. Однак найбільш помітно відгукується на приливної вплив океан. Приливні сили, спрямовані по дотичній до поверхні Землі, тобто горизонтальні, зганяють в океані воду в напрямку підмісячної і протилежної їй точок, утворюючи в них підняття води (приплив). У відкритому океані висота підняття води трохи менше одного метра. Обертання Землі і рух Місяця безперервно зміщують підмісячного точки і змушують приливну хвилю бігти слідом за Місяцем, зустрічаючи перешкоди у вигляді материків. Поблизу берегів, в затоках і вузьких протоках припливи досягають великої висоти, а іноді стають грізним явищем. Рекордна різниця між високою і низькою водою (19,6 м) реєструється в затоці Фанді (Bay of Fundy) в Канаді.

Якому ритму підпорядковані припливи і відливи? Сонячні припливи бувають два рази на добу, тобто чергуються з періодом 12 год. Для того щоб знайти період місячних припливів, необхідно крім обертання Землі врахувати і орбітальний рух Місяця навколо Землі. Через нього період місячних припливів подовжується на 26 хв., Тобто становить 12 год 26 хв. Накладаючись один на інший, місячні і сонячні припливи можуть взаємно посилюватися або послаблюватися. Як уже зазначалося, максимальні припливи бувають в періоди молодиків і повень, коли Сонце, Земля і Місяць шикуються уздовж однієї лінії. Таким чином, припливи і відливи, підкоряючись в основному добовому ритму (два припливу на добу), змінюють свою амплітуду в ритмі місяця за місячним календарем. Місячний місяць-період між двома однаковими фазами Місяця, скажімо, від повного місяця до повного місяця, становить 29 діб 14 годин - 6 годин.

Ще в 1754 р німецький філософ Іммануїл Кант висловив думку, що припливи, огибаючи за добу навколо Землі в напрямку, протилежному її обертанню, уповільнюють це обертання і подовжують тривалість доби. Земля обертається, охоплена з двох сторін приливними горбами, як гігантськими гальмівними колодками. Працює так зване приливної тертя. Передбачене Кантом уповільнення обертання Землі було дійсно виявлено і виміряно в середині XX в. Величина кутового уповільнення обертання за сучасними даними становить [(w) \ dot] + = 4.81 · 10 -22 радіан в секунду за секунду (сучасне значення кутової швидкості обертання Землі w + = 7.292115 · 10-5 радіан в секунду).

Землю можна уподібніті гігантськім годинах, Стрілка якіх Робить один оборот в добу (Зіркові). Уповільнення Обертаном виробляти до того, что ЦІ гігантські годинник (Земля) весь час немного відстають в порівнянні з ходом "ідеальних" атомного Годинник (ідеальних в тому СЕНСІ, что їх точність у много разів вищє). Це відставання дуже мало, воно практично невідчутно за добу або за місяць. Однак з кожним днем ​​до дня, від місяця до місяця відставання гігантських годин накопичується (як відсотки на гроші, вкладені в банк). За сто років наші велетенський годинник відстануть вже на помітну велічіну- близько 100 сек., А за 2000 років на цілих 3,5 ч.

Ми не можемо втручатися в темп обертання Землі і підправляти його відповідно до атомним годинником, зате ми можемо узгодити показання атомного годинника з обертанням Землі. І це багато в чому розумно. Люди, тварини і рослини живуть в добовому ритмі, тобто в ритмі, що задається обертанням Землі, сходами і заходами Сонця, а не надточними атомним годинником. У розрахунках небесних координат природних космічних тіл (планет, комет, і т.д.) і штучних супутників Землі також аргументом є час, що задається обертанням Землі. Тому в новорічну ніч всюди на Землі додають секунду або півсекунди до показань найточніших годин. Таким чином здійснюють узгодження точного часу і часу, що задається обертанням Землі.

Отже, припливи прагнуть загальмувати обертання Землі і в кінцевому рахунку повернути Землю однією стороною до Місяця. Місяць вже повернулася до Землі однією стороною, оскільки земні припливи на поверхні Місяця значно сильніше, ніж місячні на поверхні Землі (в першому випадку приливна сила в 36 разів більше, ніж у другому). Інша подвійна планета сонячної системи, Плутон- Харон, вже завершила свою приливну еволюцію. Обертання Плутона і Харона повністю і надовго синхронізовано, періоди осьового обертання рівні між собою і дорівнюють періодам звернень одного навколо іншого за відносними орбітах, так що планета і супутник завжди "дивляться" один на одного однією стороною.

17 Нижче ми розглянемо явище прецесії, внаслідок якого вісь обертання Землі дуже повільно повертається в просторі

джерело: detc.usu.ru .

Рейтинг Публікації:

Коментар від VP:

глава з підручника.

Коментарі (14) | Роздрукувати

Додати новину в: