География Тема 4 ФОРМА И РАЗМЕРЫ ЗЕМЛИ

География Тема 4 ФОРМА И РАЗМЕРЫ ЗЕМЛИ

n О форме и размерах Земли люди имели достаточно реальные представления еще до начала нашей эры. Так, древнегреческий философ Аристотель (384 — 322 до н. э. ) полагал, что Земля имеет шарообразную форму, а в качестве доказательства приводил округлость формы земной тени во время лунных затмений, поскольку только шар при освещении с любой стороны всегда дает круглую тень.

Эратосфен, живший в Александрии n n (выбрал, около 230 г. до Р. X. , для своего градусного измерения дугу александрийского меридиана, предположив, что на нем же лежит город Сиена (Асуан, — 24° 8’ 6" ш. и 30° 34’ 39" д. , последний из городов, встречаемых в Египте со стороны Нубии). Светилом для измерения высот служило Солнце.

Асуан – самый южный город древнего Египта

В Асуане, во время летнего солнцестояния, в полдень, можно видеть отражение Солнца в глубоких колодцах, т. е. , Солнце стоит в зените, и высота его равна 90°.

В Александрии, по наблюдениям тени гномона в то же время, Солнце оказывалось удаленным от зенита на одну пятидесятую часть окружности или на 7° 12’, так что разность широт этих городов 7° 12’.

n С другой стороны, из рассказов купцов, Эратосфен узнал, что путь между Асуаном и Александрией лежит почти в направлении полуденной тени, т. е. по меридиану, и, судя по времени, необходимому на весь переход, и по скорости движения караванов, расстояние между названными городами равно 5000 стадиям (800 км).

Таким образом, n Если 7° 12’ соответствуют 5000 стадиям (800 км), то длина окружности или 360° равна 250 000 стадий (40 000 км), а радиус Земли = 39 789 стадий (6 366 км).

Мир Эратосфена Киренского

По новейшим определениям разность широт Александрии и Асуана равна 7° 7’, и оба города не лежат на одном меридиане, (Асуан почти на 3° восточнее Александрии), тем не менее, астрономическая часть работы Эратосфена для своего времени была почти безупречна.

n К несчастью истинная длина египетской стадии была не известна. Разные ученые исследователи определяют ее от 158 до 185 метров, и потому точность этого первого градусного измерения отличается от истины. Но основание способа расчета Эратосфена совершенно верно и применяется до сих пор. В связи с этим непонятно, как полтора тысячелетия (!) спустя Христофор Колумб настолько ошибся с оценкой размеров Земли, что принял Американский континент за часть Индии!

Следующая попытка определить размеры Земли была сделана Посидонием n (Посидоний из Апамеи в Сирии, философ– стоик, математик и астроном, 135— 50 до Р. Хр). Крайними точками дуги меридиана избраны были Александрия и остров Родос. Угловое расстояние получено из наблюдений звезды Канопус (Kanopus Argus), звезда первой величины в созвездии «Корабль Арго» ; видна в нашем полушарии южнее 37, 5° сев. широты), которая в Александрии поднимается до высоты 7½°, а на Родосе едва показывается на горизонте, так что высота ее там почти равна 0°.

Результаты измерений Посидония n Линейное расстояние оценено по времени перехода судов и принято равным 5 000 стадиям (800 км). Отсюда окружность Земли оказывается 240 000 стадий (38 400 км). Результат Посидония признается менее удовлетворительным, чем вывод Эратосфена, потому что на высоты светил близ горизонта весьма значительно влияет преломление лучей в атмосфере. Ныне известно, что разность широт Александрии и Родоса всего 5°, и они далеко не лежать на одном меридиане.

Замечательно, что n в сочинениях Птолемея (87 — 165), известного александрийского астронома, не упоминается об определении размеров Земли, хотя в его «Географии» видимо подразумевается ее шарообразность и длина одного градуса принимается равною 500 стадиям (80 км), что дает для окружности всей Земли 180 000 стадий (28 800 км) — число значительно меньшее, чем результаты Эратосфена и Посидония.

После уничтожения александрийской библиотеки, n в смутные годы первых веков нашей эры, всякие научные работы прервались, и новая попытка градусного измерения сделана лишь в 827 году арабами, которые, достигнув политического могущества, в лице своих калифов с любовью покровительствовали развитию точных наук.

n Калиф Альмамум, сын Гарун– аль– Рашида, приказал своим астрономам Калид– бен– Абдулмелику и Али– бен–Изп измерить дугу меридиана в равнине Синджар, лежащей к западу от реки Тигра и нынешнего города Мосула.

Город Мосул и река Тигр

Измерения арабов В исходной точке, около 35° северной широты, арабские ученые разделились на две парии и направились одна на север, другая на юг, производя измерения арабскими локтями. n Эти измерения продолжались до тех пор, пока каждая пария не прошла по меридиану 1°, что определялось имевшимися тогда угломерными инструментами по высотам звезд.

Одна пария получила для градуса меридиана величину 56, а другая 56⅔ мили по 4 000 локтей. Второе число было признано точнее первого и принято за величину градуса меридиана. n Покуда длина арабского локтя была неизвестна, нельзя было составить понятие о точности измерения арабов; n

Точность измерения n известно было лишь, что арабский локоть имел 27 дюймов, а каждый дюйм равнялся шести положенным в ряд ячменным зернам. Но недавно, на нильском острове Рода, под Каиром, на колонне из тесаного камня, найдены черты, означающие арабские локти, подразделенные на дюймы.

Оказалось, что арабский локоть n равен приблизительно 49⅓ сантиметрам, так что длина арабской мили около 1973 метров или 926. 3 саженей. От перемножения этого числа на 56⅔ получается длины градуса, под широтой 35°, 104. 8 версты (111. 088 км), что весьма близко к современным определениям.

В средние века n сведенья греков и арабов о шарообразности Земли и ее величине были забыты, и только в начале XVI века, после эпохи великих морских путешествий, произведена новая попытка определения размеров Земли. Французский ученый и врач короля Франциска II–го, Фернель (1497 — 1558), в 1528 году, измерил дугу меридиана вблизи Парижа.

n Угловые высоты Солнца он определял при помощи треугольника с диоптрами, одна сторона которого была разделена на части, соответствующая минутам дуги, линейное же расстояние Фернель получил счетом оборотов колеса своей повозки. Длина градуса меридиана под широтою Парижа получилась равною 56 746 тоазам или около 51838 саженей (110. 41 км).

n Итак, в первом приближении форма и размеры нашей планеты известны очень давно. n А можно ли, находясь на поверхности Земли, доказать, что она вращается?

Вращение Земли В 1672 году француз Рише случайно заметил, что у экватора маятниковые часы идут медленнее, чем в Париже. Объяснение этому факту нашел английский физик, астроном и математик Исаак Ньютон (1643 — 1727). Вращение Земли должно приводить к появлению центробежной силы, направленной перпендикулярно оси вращения (не поверхности!) в сторону, противоположную этой оси.

То есть, n в средних широтах центробежная сила меньше по величине (поскольку расстояние до оси вращения меньше) и направлена под углом к горизонту, а на экваторе она достигает наибольшей величины, что и приводит к уменьшению силы тяжести g на экваторе и, вследствие этого, замедлению (увеличению периода Т) колебаний маятника длиной l, поскольку T = 2 p(l/g)1/2.

n В 1851 году французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819 — 1868) продемонстрировал на опыте, что плоскость качания маятника со временем поворачивается, что объясняется суточным вращением Земли вокруг своей оси.

Позже этот опыт повторяли в разных городах

В том числе и в Ленинграде, в Исаакиевском соборе.

n Очевидно, что эффект поворота плоскости качания маятника зависит от широты места проведения опыта, наиболее выражен на земных полюсах и отсутствует на экваторе.

Сила Кориолиса Другим свидетельством земного вращения является действие поворотного, или кориолисова ускорения на движущиеся воздушные и водные массы. n Этот эффект проявляется как отклонение от меридионального направления ветров и океанских течений, а также в подмывании одного из берегов реками, текущими в направлении север — юг.

Суть явления очень проста n Если, например, река течет с юга на север, то ее воды по инерции стремятся сохранить ту линейную скорость вращения (перпендикулярную направлению течения), которую они имели южнее, т. е. отклониться к востоку (Земля вращается с запада на восток). А в результате будет размываться восточный берег.

И еще одно доказательство вращения Земли n — отклонение падающих тел от направления отвесной линии. Объяснение точно такое же: линейная скорость вращения тем больше, чем выше над поверхностью тело, а при падении эта скорость сохраняется, и за время полета точка, прямо над которой сначала находилось падающее тело, сместится на восток на меньшее расстояние, чем само тело в момент приземления, т. е. тело упадет восточнее.

Доказательство сжатия Земли n Еще Ньютон показал, что Земля должна быть сплюснута у полюсов. То же следовало и из наблюдений быстровращающихся планет– гигантов — Юпитера и Сатурна. Однако проверить это на практике в отношении Земли было совсем не просто. Было организовано несколько экспедиций для того, чтобы измерить длины двух дуг меридиана, по 1° каждая, одна как можно ближе к экватору, другая — к полюсу. В конце концов выяснилось, что дуга в 1° в экваториальных широтах (измерения 1735 — 1743 гг. в Перу) действительно короче, чем в полярных (1736— 1737 гг. в Лапландии), что и является прямым доказательством сжатия Земли к полюсам.

Следует пояснить, n что измерения дают не радиус Земли (т. е. расстояние от поверхности до центра), а радиус кривизны поверхности, т. е. радиус окружности, которая на данном участке ближе всего соответствует дуге меридиана. Поскольку меридианы у полюсов изогнуты слабее, чем у экватора, то в первом случае и радиусы их кривизны больше.

Результатом этих экспедиций стало также, n n принятие новой единицы длины, которую определили как 1/40 000 часть от полной длины Парижского меридиана. Эта единица получила название метр, и поэтому неудивительно, что длина земного экватора так близка к круглому числу 40 000 км. Принятие новой единицы длины стало началом введения метрической системы мер и весов, а сам метр был выполнен в виде массивного стержня из сплава платины с иридием, и передан на вечное хранение в парижский архив.

Метр n В настоящее время величина метра закреплена более точно и надежно, а до 9–го знака ее можно выразить как 1650763. 73 длины волны излучения в вакууме оранжевой спектральной линии 86 Kr.

Морская миля n n Поскольку полная длина меридиана принята за 40 000 км, то 1° от этой длины составит в среднем 1/360 его часть, что равно 111 км, а 1’ — 1. 852 км. Последняя единица называется морской милей. Ее удобство для навигации, особенно в прошлые века, определяется тем, что широту местности вычисляют по высоте светил (например, Солнца в момент его наибольшей высоты) над горизонтом, а изменение высоты светила на 1’ (за счет движения на север или на юг) как раз и соответствует перемещению наблюдателя на 1 морскую милю вдоль меридиана.

Форма Земли n Осталось только упомянуть, что при еще более точном рассмотрении форма Земли отличается от эллипсоида вращения, и в масштабах меньше километра имеет весьма сложную форму поверхности, которая получила названия геоид. Под поверхностью Земли в данном случае подразумевается не реальный рельеф с горами, холмами и низинами, а усредненный уровень воды в океанах, который с помощью нивелирования удается продолжить и под сушей (высота над уровнем моря).

Поверхность геоида n n Эта поверхность является уровневой, т. е. она всюду перпендикулярна к направлению силы тяжести и отличается от эллипсоида вращения не больше, чем на несколько сотен метров, а если за фигуру Земли принять трехосный эллипсоид (экватор можно представить как эллипс с разностью полуосей около 200 м), то отличие геоида от него не превысит 100 м. Это отличие вызвано неравномерным распределением масс как на поверхности Земли (континенты и океаны), так и внутри нее — вследствие их влияния на величину и направление силы тяжести. Изучение фигуры геоида — одна из задач геодезии и гравиметрии.

Эллипсоид Красовского n n Земной эллипсоид, определённый из градусных измерений в 1940 году группой под руководством Ф. Н. Красовского. Согласно другим источникам, определение было закончено в 1942 году группой под руководством А. А. Изотова и названо в честь Ф. Н. Красовского. В любом случае на нём основана геодезическая система координат Пулково -1942 (СК-42), СК 63, используемая в России и некоторых других странах, а также системы координат Afgooye и Hanoi 1972.

Размеры земного эллипсоида по Красовскому: Малая полуось (полярный радиус) 6 356 863 м Большая полуось (экваториальный радиус) 6 378 245 м Средний радиус Земли, принимаемой за шар 6 371 100 м Полярное сжатие 1/298, 3

Размеры земного эллипсоида по Красовскому: Площадь поверхности Земли 510 083 058 км² Длина меридиана 19 980 км Длина экватора 40 075, 7 км Длина дуги 1° по меридиану на 110, 6 км широте 0° Длина дуги 1° по меридиану на 111, 1 км широте 45° Длина дуги 1° по меридиану на 111, 7 км широте 60°

Задание Приведите доказательства шарообразной формы Земли (10). n Сделайте заключение о значении шарообразности для природы Земли. (4). Желаю удачи! n

Доказательства шарообразности Земли: n n n Тень от Земли, которую она отбрасывает на Луну при Лунных затмениях, всегда имеет форму круга. При восходе Солнца вершины гор всегда освещаются раньше, чем низкие места, а при заходе – дольше остаются освещенными вершины гор. Постепенное появление корабля из-за линии горизонта и постепенное его исчезновение при удалении.

Доказательства шарообразности Земли: n n Зависимость дальности видимого горизонта от высоты наблюдателя. Изменение вида звездного неба при перемещении наблюдателя вдоль меридиана. Кругосветные путешествия. форма отражения звездного неба в больших водоемах (в виде полусферы).

Доказательства шарообразности Земли: n n n Постоянство круглой формы видимого горизонта. Начало дня на востоке. Полеты космических аппаратов и наблюдения из космоса.

Значение шарообразной формы Земли: 1. Шарообразная форма, обусловливает разнообразие климатов на Земле, потому, что солнечные лучи на сферическую поверхность попадают под разными углами, поэтому экваториальные широты получают больше всего тепла, а полярные – минимум тепла.

Значение шарообразной формы Земли: 2. Различный приход тепла обусловливает зональность природы на земном шаре (зональны климаты, режимы рек и озер и др. ) Зональность проявляется в мировом океане, зональны почвы, растительный покров и животный мир.

Значение шарообразной формы Земли: 3. 4. Шарообразная форма Земли оказывает влияние на циркуляцию атмосферы, течения в мировом океане, приливы и отливы. Шарообразная форма Земли и вращение ее вокруг оси обусловливают смену дня и ночи, то есть, влияют на тепловой режим планеты.