Гномон - cамый древний угломерный инструмент. Прибор для определения наклона эклиптики к экватору. Он использовался для определения высоты солнца над горизонтом и представлял собой вертикальный столб на горизонтальной площадке. С помощью этого простейшего приспособления можно было отмечать дни солнцестояний, а значит фиксировать продолжительность года. Имея гномон, мы можем определить: n полуденную линию и стороны света; n высоту Солнца над горизонтом и широту места; n момент наступления истинного полдня; n долготу места. Чем гномон выше, тем длиннее отбрасываемая им тень, тем точнее измерения. На циферблате имелось только одна отметка – прямая линия к северу от столба, куда тень падает в полдень. Экран гномона можно разбить на часы, но все часы дня будут иметь разную продолжительность, и, кроме того, день ото дня длительность такого «часа» тоже будет меняться. Чтобы гномон показывал всегда время правильно, его надо наклонить в направлении земной оси, т. е. на Полярную звезду. 1
Солнечные часы Пекин Казань Соловецкий монастырь 2
Измерение размеров Земли В день летнего солнцестояния в Сиене (C) лучи Солнца падают вертикально, а в Александрии (A) падали под углом z = 7°. Расстояние между Сиеной и Александрией было известно – 5000 египетских стадий (790 км) Следовательно, можно вычислить длину меридиана. Итак, 7 градусов составляют 7/360 = 1/51 часть окружности Земли по меридиану, и 7 градусов составляют 790 км, тогда вся окружность будет в 51 раз больше и составит 39500000 км. Радиус Земли вычисляется из формулы длины окружности l =2 π R, R= l/2π = 39500000 / 6, 28 = 6290 км. Точность измерений Эратосфена всего лишь 1– 1, 5 % !!! Как Христофор Колумб спустя полторы тысячи лет сумел принять неведомые острова около нынешней Америки за Индию, кажется его лукавством) 3
Форма земли Поверхность Земли, которую принято называть физической или топографической поверхностью, представляет собой сочетание океанов и материков со сложными геометрическими формами. Средний уровень Мирового океана принято называть уровенной поверхностью Земли. Немецкий физик И. Б. Листинг (1808– 1882) предложил для фигуры, ограниченной этой поверхностью, специальное название – геоид ( «подобный Земле» ). Форму Земли, ограниченную поверхностью океана в спокойном состоянии, мысленно продолженной под всеми материками называют геоидом. Геоид определяется как фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести, т. е. отвесной линии. 4
Наиболее близкой, математически определенной геометрической фигурой к геоиду, характеризующей фигуру и размеры Земли, является земной эллипсоид, или сфероид (теоретическая фигура Земли). Эллипсоидом называется фигура, образованная вращением эллипса вокруг малой оси. 5
Спутник Европейского космического агентства GOCE, вышедший на орбиту Земли в марте 2009 -го, выполнил все необходимые измерения для точного построения модели геоида. 6
Поднятия и опускания над эллипсоидом составляют в среднем от ± 50 до ± 100 м. Их называют волнами геоида. Выступы и понижения геоида были точно измерены из Космоса. На поверхности Океана выделяются шесть гигантских неровностей – планетарных аномалий с поперечником 3– 5 тыс. км. Максимальное возвышение геоида наблюдается в Тихом океане близ острова Новая Гвинея ( +78 м), минимальные отметки – в Индийском океане у острова Шри. Ланка ( – 112 м). Так что общий размах выпуклостей и вогнутостей поверхности Океана достигает 190 м. Исследования показали, что источниками крупнейших аномалий океанической поверхности служат массы вещества, расположенные на глубинах порядка 400– 900 м: под «буграми» на поверхности Океана расположены массы вещества повышенной плотности, а под «впадинами» – массы пониженной плотности. Обобщенные черты рельефа водной поверхности Океана видны на рисунке. 7
Рельеф водной поверхности Мирового океана по данным информации с искусственных спутников Земли (по Р. К. Клиге и др. ) 8
Дуга Струве состояла из отдельных 258 пунктов протяженностью 2880 км (с 1816 по 1855 гг. ). В объект всемирного наследия ЮНЕСКО вошли 34 таких пункта (в Беларуси — 5 пунктов). 9
Дуга Стру ве n n n n Тюпишки, Ошмянский район(54° 17′ 29″ с. ш. 26° 02′ 43″ в. д. (G) (O), как часть объекта № 1187. Лопаты, Щучинский район 53° 33′ 37″ с. ш. 24° 52′ 11″ в. д. (G) (O)), на юго-восток от деревни Лопаты, рядом с трассой P 141. Осовница, Ивановский район 52° 17′ 21″ с. ш. 25° 38′ 58″ в. д. (G) (O) Щекотск, Ивановский район 52° 12′ 30″ с. ш. 25° 33′ 25″ в. д. (G) (O) Лясковичи, Ивановский район 52° 09′ 38″ с. ш. 25° 34′ 17″ в. д. (G) (O) Докудово, Лидский район Ивацевичи, Брестская область 52° 43′ 28. 05″ с. ш. 25° 19′ 15. 02″ в. д. (G) (O) Белин, Брестской области 10
Основные элементы земного эллипсоида: Большая полуось а = WO/2; n n n Малая полуось b = PNPS/2; Полярной сжатие = (а-b)/а Сжатием Земли называется отношение разности наибольшего (а) и наименьшего (b) радиусов эллипсоида к наибольшему радиусу. Сжатие Земли невелико и составляет (а – в)/а = 1/298, 3. В дальнейшем выяснилось, что сплюснутость у Северного полюса на 30 м меньше, чем у Южного. Было установлено, что экваториальные радиусы Земли не равны: большой радиус вдоль меридиана 15° в. д. – 165° з. д. на 213 м больше малого вдоль меридиана 105° в. д. – 75° з. д. Из-за полярного и экваториального (1/30000) сжатия фигура Земли является трехосным эллипсоидом. Поскольку величина сжатия земного эллипсоида невелика и он мало отличается от шара, его называют также сфероидом. 11
Элементы эллипсоидов Бесселя и Красовского, (в метрах) Эллипсоид Бесселя, 1841 г. Эллипсоид Красовского, 1942 г. Большая полуось а 6377327 6378245 Малая полуось b 6 356 079 6356663 1: 299, 2 1: 298, 3 Радиус шара с равной поверхностью 6 370 290 6 371 116 Радиус шара с равным объемом 6 370 283 6 371 110 Длина четверти меридиана 10 000 856 10 002 138 Сжатие 12
Современные общеземные эллипсоиды n n GRS 80 (Geodetic Reference System 1980) разработан Международной Ассоциацией Геодезии и Геофизики (International Union of Geodesy and Geophysics) и рекомендован для геодезических работ; WGS 84 (World Geodetic System 1984) применяется в системе спутниковой навигации GPS; ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года) используется на территории России для геодезического обеспечения орбитальных полетов. Этот эллипсоид применяется в системе спутниковой навигации ГЛОНАСС; IERS 96 (International Earth Rotation Service 1996) рекомендован Международной службой вращения Земли для обработки РСДБнаблюдений. Название Год Страна/ организация a, км точность ma , м 1/f точность mf GRS 80 1980 МАГГ (IUGG) 6378, 137 ± 2 298, 25722210 1 ± 0, 001 WGS 84 1984 США 6378, 137 ± 2 298, 25722356 ± 0, 001 ПЗ-90 1990 СССР 6378, 136 ± 1 298, 25783930 3 ± 0, 001 IERS 96 1996 МСВЗ (IERS) 6378, 136 — 298, 25645 — 13
Размеры земного эллипсоида S = 510 млн км 2 S = 149 млн км 2 суша объем Земли 1, 083*1012 км 3 экваториальный радиус = 6378, 245 км полярный радиус = 6356, 863 км rсредний = 6371, 110 км a – b = 21, 4 км (a – b) / a = 1/298, 3 = 0, 003355 длина окружности экватора = 40075, 696 км длина окружности меридиана – 40008, 550 км чаще всего мы принимаем их за 40000 км средняя плотность = 5, 5 г/см 3 14
Доказательства шарообразности Земли 1. При восходе Солнца лучи его освещают сначала облака, высокие предметы, то же и при заходе: Солнце уже за горизонтом, а его лучи все еще освещают облака и другие предметы. 2. Постепенное появление корабля из-за линии горизонта. 3. Постепенное увеличение радиуса видимого горизонта при поднятии наблюдателя (ровная местность 4 -5 км) 20 м -16 км. 4. Небесные тела имеют или шарообразные формы (Луна, Солнце). Естественно думать, что и Земля не исключение. 5. Тень Земли, отбрасываемая на Луну при лунных затмениях, всегда имеет форму части правильного круга. 6. Изменения вида звездного неба при перемещении наблюдателя по меридиану. 7. Форма отражения звездного неба в больших водных пространствах. Звездное небо в спокойной поверхности больших водоемов отражается как в выпуклом зеркале. 8. Постоянство круглой формы видимого горизонта. 9. Кругосветные путешествия в одном направлении. 10. Начало дня на Востоке. Если бы Земля была плоской, то денно начинался бы сразу на всей Земле. 11. Полеты спутников и космических ракет. 15
16
Значение шарообразной формы Земли 1. На выпуклую шарообразную поверхность Земли солнечные лучи падают под различными углами, интенсивность нагревания земной поверхности уменьшается от экватора к полюсам. 17
2. Шарообразность в сочетании в вращением в поле солнечной радиации обуславливает зональность природы. 18
3. Шарообразность влияет на общую циркуляцию атмосферы, океанические течения, приливы. Шарообразность делает ГО единым замкнутым целым. 19
4. Шарообразная форма планеты обуславливает разделение ее на освещенные Солнцем и не освещенные, следовательно влияет на тепловой режим планеты. 20
Осевое движение Земли Земля вокруг своей оси вращается с запада на восток (если смотреть со стороны Северного полюса) против часовой стрелки. n Полный оборот относительно звезд окружающих солнечную систему Земля совершает за 23 часа 56 минут 4, 0905 секунд. Для удобства принято считать время полного оборота 24 часа. n Угловая скорость вращения всех точек Земли при этом одинакова: 360°/24 = 15°. n 21
Линейная скорость вращения точек зависит от того расстояния, которое они должны пройти за период суточного вращения Земли. Неподвижным остаются на поверхности только точки выхода воображаемой оси – точки географических полюсов. Наибольшую скорость вращения имеют точки на линии экватора – 464 м/с. Следовательно, скорость вращения будет уменьшаться от экватора к полюсам. Линейная скорость для любой широты округляется формулой: V 1 = V cos φ, где V – скорость на экваторе, φ – широта местности: V 1 = 464*cos 52° = 464*0, 6032 = 279, 88 м/с Мы не замечаем вращение Земли потому, что все предметы и атмосфера равномерно вращаются вместе с поверхностью Земли. Наоборот, нам кажется, что небесные светила движутся с востока на запад, т. е. навстречу действительному движению Земли. 22
Маятник Фуко Из физики известно, что плоскость качания маятника не изменяется, если на маятник не действуют какие-либо другие силы, кроме силы тяжести. В 1851 г. французский физик Л. Фуко на основе этого закона сделал опыт, доказывающий вращение Земли вокруг оси. В наиболее высоком здании Парижа – Пантеоне – на тонкой стальной проволоке был подвешен тяжелый металлический шар с острием. Под этим огромным маятником был сделан помост, на котором насыпан песок. Когда маятник начали медленно раскачивать, то заметили, что острие оставляет след на песке, причем в результате каждого нового качания маятника линия, проходящая через центр качания, отклоняется своими концами вправо, если смотреть сверху от предыдущей. В действительности отклоняется не маятник – он сохраняет свою плоскость качания, а изменяется положение в пространстве всей земли вместе с помещением, в котором качается маятник. 23
Положения плоскости качания маятника при суточном вращении Земли Величина отклонения маятника зависит от широты места наблюдения. На экваторе этот эффект совершенно не выражен, а по мере удаления от экватора он все возрастает и на полюсах заметен наилучшим образом. Здесь отклонение линий качания маятника в течение каждого часа равно 15°, а за сутки – 360°. Величину кажущегося поворота плоскости качания маятника за один час можно вычислить для любой широты по формуле: α = 15°*sin φ где а – искомая величина, φ – широта местности, а 15° – угловая величина поворота Земли за 1 час. Линия качания маятника отклоняется в северном полушарии вправо, а в южном – влево. Это значит, что вращение Земли вокруг оси происходит с запада на восток. 24
25
Отклонение падающих тел Если бросить какое-либо тело с высокой башни, то оно падает не отвесно, а несколько отклоняется в восточном направлении. Это объясняется тем, что вершина башни находится от центра Земли дальше, чем ее основание, и, следовательно, описывает более длинную окружность при вращении Земли. Падающее тело наверху башни имело большую горизонтальную скорость, чем у ее основания, а поэтому достигло поверхности Земли в пункте, лежащем несколько восточнее отвесной линии (рис. ). В шахте глубиной 158, 5 м тело при падении отклоняется на 27, 5 мм. Эффект отклонения падающего тела в противоположность предыдущему опыту лучше всего выражен на экваторе и совсем отсутствует на полюсах. 26
Сплюснутость Земли свидетельствует о вращении ее вокруг своей оси. Известно, что вращение порождает центробежную силу, которая в условиях Земли, имеющей шарообразную форму, неодинаково проявляется в разных местах. Линейная же скорость на разных широтах неодинакова. На экваторе каждая точка пробегает 464 м/сек, на широте Москвы – всего 260 м/сек, а на полюсе эта величина практически равна нулю. Центробежная сила пропорциональна квадрату скорости и больше всего на экваторе, отсутствуя на полюсах. Эта сила придала Земле форму эллипсоида вращения, поверхность которого ближе всего к центру Земли у полюсов и дальше всего у экватора, подобно поверхности колец, сжимающихся при вращении (рис. ) Таким образом, центробежная сила и расстояние от центра Земли делают неодинаковой силу тяжести в разных местах. На экваторе всякое тело весит меньше, чем на полюсе, на 1/200 часть. 27
ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ СУТОЧНОГО ВРАЩЕНИЯ ЗЕМНОГО ШАРА Вместе с шарообразной фигурой вращения Земли в поле солнечной радиации определяется зональность природы. 1. 2. Осевое вращение обуславливает смену дня и ночи. В результате смены дня и ночи возникает суточный режим процессов в ГО. Если бы не было суточного вращения Земли, то одна сторона её непрерывно нагревалась бы, а другая охлаждалась бы, и это отразилось бы на всех природных процессах земной поверхности. 2. 28
3. При вращении Земли вокруг своей оси неподвижными остаются две точки – полюса – это дает возможность построить на шаре координатную сетку, т. е. меридианы, параллели, экватор. Меридиан (лат. – «полуденный» ) – это линия, соединяющая полюса. Для определения начального меридиана объективных критериев нет, поэтому его выбрали условно – меридиан, проходящий через Гринвичскую обсерваторию, он называется начальным или гринвичским. От него ведется счет долгот. Долготой называется расстояние в градусах от начального меридиана до меридиана, проходящего через объект. Для удобства счет долгот ведут в обе стороны от Гринвича, от 0° до 180° на восток – долготы восточные, на запад – западные. 29
Экватором называется линия, образованная пересечением земной поверхности плоскостью, перпендикулярной оси вращения Земли и отстоящей на равных расстояниях от полюсов. Это линия самого большого круга на земной поверхности. Она делит Землю на два полушария: северное и южное. Если мысленно пересечь Землю плоскостями, параллельными плоскости экватора, то на поверхности появятся линии, имеющие направление запад-восток, которое называется – параллелями. Удаленность параллелей, и, следовательно, и всякой точки от экватора в градусах меридиана, называется широтой. Широта измеряется в пределах от 0° до 90° и бывает северной и южной. Длина параллелей уменьшается от экватора к полосам, соответственно уменьшается и линейная скорость вращения всех параллелей. Линейная скорость вращения всех точек на одной параллели одинакова. 30
Географические координаты Географическая широта – это угол между нормалью к поверхности эллипсоида (или между отвесной линией – перпендикуляром к поверхности геоида) и плоскостью экватора. Величины широт, которые отсчитываются от экватора до северного полюса учитывают со знаком «плюс» , «северная» , а к югу – со знаком «минус» , «южная» . Широта экватора равна 0°, широта северного полюса равна + 90°, южного – – 90. n Географическая долгота представляет собой двугранный угол между плоскостью географического меридиана точки и плоскостью начального географического меридиана. Долготу отсчитывают от Гринвичского меридиана к востоку от 0 до 360°, или к востоку от 0 до 180°, и к западу от 0 до 180° с указанием «восточная долгота» , «западная долгота» . Долгота и широта могут быть также определены соответственно длиной дуги меридиана и параллели на поверхности эллипсоида. n 31
4. Вращение Земли вызывает действие отклоняющей силы вращения Земли Отклоняющая сила вращения Земли, или сила Кориолиса, проявляется в том, что все движущиеся на земной поверхности, или параллельно ей тела, отклоняются от своего направления в северном полушарии вправо, в южном – влево. Все тела при движении стремятся сохранить прямолинейное направление. Но их движение происходит во вращающейся сфере. Поэтому кажется, что они отклоняются от первоначального направления. На самом деле, отклоняются не тела, а перемещается сама поверхность, по которой или над которой движутся эти тела. 32
Из точки А в сторону Северного полюса запущена ракета. В момент запуска ее направление совпадало с направлением меридиана. Через некоторое время точка А в результате вращения Земли перемещается в точку Б. Направление меридиана отклонилось влево. Движущееся тело по закону инерции стремится сохранить свое направление и скорость в мировом пространстве. Ракета и сохраняет первоначально заданное направление, а наблюдателю кажется, что ракета отклонилась вправо. Нетрудно заметить, что эта отклоняющая сила фиктивна, что отклоняется не движущееся тело, а меняет свое пространственное положение поверхность Земли. Отклонение будет наибольшим на полюсах, а на экваторе равно 0°, т. к. меридианы там параллельны другу и их направление в пространстве не изменяется. Отклонение в северном полушарии происходит вправо, в южном – влево. Сила Кориолиса влияет на все движущиеся предметы, независимо от направления движения. Величина отклоняющего действия вращения Земли на тело массой 1 кг, выражается формулой: F = 2ω*ν*sin φ где ω – угловая скорость Земли, ν – скорость движения тела, α – широта. 33
5. Обращение Земли вокруг оси дает основную единицу измерения времени – сутки Солнечные сутки – промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через меридиан точки наблюдения. Истинное солнечное время – промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями центра Солнца через меридиан точки наблюдения. Продолжительность истинных солнечных суток изменяется в течение года прежде всего вследствие неравномерного движения Земли по эллиптической орбите. Следовательно, они также неудобны для измерения времени. Среднее солнечное время – промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями центра среднего Солнца через меридиан точки наблюдения – фиктивной точки, равномерно движущейся по небесному экватору со средней скоростью движения истинного Солнца по эклиптике. Средние солнечные сутки равны 24 ч. В практических целях пользуются средними солнечными сутками. Звездные сутки – промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями звезды через меридиан точки наблюдения (время полного оборота Земли вокруг оси). Время между двумя прохождениями звезды через меридиан данного места звездные сутки равны 23 часам 56 минутам 4 секундам. Это действительное время суточного обращения Земли. (т. к. Земля движется вокруг Солнца и вокруг оси в одном направлении, то солнечные сутки длиннее действительного времени полного оборота). Звездные сутки заключают в себе 86400 с = 24 часа. 34
В повседневной жизни средним солнечным временем пользоваться тоже неудобно, поскольку на каждом меридиане оно свое – местное время. Наличие в различных пунктах, лежащих на разных меридианах, своего местного времени приводило ко многим неудобствам. Поэтому на Международном астрономическом конгрессе в 1884 г. был принят поясной счет времени. Для этого всю поверхность земного шара разделили на 24 часовых пояса по 15° каждый. За поясное время принято местное время среднего меридиана каждого пояса. Нулевой (он же 24 -й) пояс тот, по середине которого проходит нулевой (гринвичский) меридиан. Его время принято в качестве всемирного времени. Счет поясов ведется с запада на восток. В двух соседних поясах поясное время отличается ровно на 1 ч. Границы часовых поясов на суше для удобства проведены не строго по меридианам, а по естественным рубежам (рекам, горам) или государственным и административным границам. Чтобы перевести местное время во всемирное и обратно, нужно знать угловое расстояние места от начального меридиана, т. е. долготу места. Всемирное время используется в астрономии, в практической жизни оно фактически не применяется. Для перевода местного времени в поясное и обратно, служит формула: Тп = Тм + n – λ, где Тп – поясное время, Тм – местное время, n – номер пояса, λ – долгота. 35
Карта часовых поясов 36
6. Линия перемены дат Кругосветное путешествие Магеллана и потеря одного дня. Меридиан 180° принят за международную линию изменения дат. Это условная линия на поверхности земного шара, по обе стороны от которой часы и минуты совпадают, а календарные даты отличаются на одни сутки. Например, в Новый год в 0 ч 00 мин к западу от этой линии 1 января нового года, а к востоку – 31 декабря старого года. При пересечении границы дат с запада на восток в счете календарных дней возвращаются на одни сутки назад, а с востока на запад – одни сутки в счете дат пропускаются. Для удобства исчисления международным соглашением было принято считать началом новых суток 12 -й часовой пояс, т. е. меридиан 180°. Это линия перемены дат. 37
7. Со строением земного шара и его вращением тесно связано формирование его геофизических полей 38
8. Приливы и отливы Следствием вращения Земли являются приливы и отливы. Луна, как самое близкое к Земле небесное тело, имеет большую силу притяжения. Эта сила вызывает деформацию поверхности Земли, особенно ее водной оболочки. В наиболее близком к Луне пункте, а также в противоположном пункте Земли всегда образуется приливной выступ. Прилив на стороне Земли, повернутой к Луне, объясняется тем, что здесь самая большая сила притяжения. Прилив же на противоположной стороне Земли объясняется тем, что центробежная сила, возникающая в результате вращения Земли и Луны вокруг их общего центра тяжести, находящегося внутри Земли, превышает силу притяжения Луны. Приливы наблюдаются на линии Земля – Луна, а отливы – на перпендикулярной линии. 39
40
Малая вода (Бретань, Франция) Залив Фанди 41
Орбитальное движение Земли Видимый годовой путь Солнца – большой круг на небесной сфере – эклиптика представляет собой сечение небесной сферы плоскостью земной орбиты. Она наклонена под углом 23° 27' к небесному экватору – линии пересечения плоскости земного экватора с небесной сферой. Эклиптика пересекает небесный экватор в точках весеннего и осеннего равноденствия в моменты, когда Солнце переходит из одного полушария в другое. 42
29, 76 км/с 930 млн. км 147 млн. км 30, 3 км/с 152 млн. км 29, 2 км/с 43
Земля, подобно другим планетам, движется вокруг Солнца. Этот путь Земли называют орбитой (лат. orbita – колея, дорога). Орбита Земли – эллипс, близкий к окружности, в одном из фокусов которого находится Солнце. Длина орбиты более 930 млн. км. Расстояние от Земли до Солнца изменяется в течение года от 147 млн. км в перигелии (2 января скорость движения Земли здесь составляет 30, 3 км/с) до 152 млн. км в афелии (5 июля скорость 29, 2 км/с). Поэтому зимнее полугодие в Северном полушарии длится 178 суток 20 часов, а летнее – 186 дней 20 часов. Земля движется по орбите с запада на восток со средней скоростью около 29, 76 км/с и проходит весь путь за 365 суток 6 ч 9 мин 9, 6 с. Этот промежуток времени называют звездным (сидерическим) годом. Если взять интервал времени между двумя следующими друг за другом прохождении Земли через точку весеннего равноденствия – то это будет тропический год. Его продолжительность 365 суток 5 часов 48 минут 26 секунд, т. е. он примерно на 20 минут 43, 6 с короче звездного. Чтобы это компенсировать, то через каждые 3 годы вводится високосный год с 366 сутками. 44
Доказательства годового движения Земли n n Параллактическое смещение звезд (Струве) Аберрация света (Брадлей, 1727 г. ) Годичный параллакс – малый угол при небесном светиле в прямоугольном треугольнике, в котором гипотенуза есть расстояние R от Солнца до светила, а малый катет – расстояние от Солнца до Земли. 45
Годичный параллакс 46
Аберрация света в астрономии – изменение направления светового луча, идущего от светила, вызванное конечностью скорости света и движением наблюдателя относительно светила. Эффект состоит в том, что вследствие движения Земли вокруг Солнца и времени, необходимого для распространения света, наблюдатель видит звезду не в том месте, где она находится. Если бы Земля была неподвижна, или если бы свет распространялся мгновенно, то световой аберрации не было бы. Поэтому, определяя положение звезды на небе посредством телескопа, мы должны отсчитать не тот угол, под которым наклонена звезда, а несколько – впрочем очень мало – увеличив его в сторону движения Земли. 47
Аберрация света 48
Аберрация света Поясним это примером: корабль быстро плывёт по направлению с запада на восток; мы стоим на южном берегу реки, стреляем в борт корабля прямо с юга на север и ядро летит с такою силою, что пробивает оба борта. При таких условиях отверстия, пробитые в бортах, не будут находиться одно против другого, потому что, пока ядро летело от одного борта до другого, корабль уже успел переместиться по направлению с запада на восток. Если бы не знали, что корабль находился в движении, то при осмотре пробитых отверстий, конечно, должны были бы сделать предположение, что выстрел был направлен вкось к борту корабля. Теперь представим вместо корабля быстро движущуюся Землю, а вместо летящего ядра – луч света, идущий от отдалённой звезды: явление произойдёт подобное же. Если звезда приходится прямо на юг, то при нашем движении на восток придётся зрительную трубу отклонить также к востоку, – по тому же направлению, по которому пролетело ядро сквозь борта корабля; если бы движение земного шара происходило на западе, то и наклонение трубы пришлось бы произвести к западу. 49
Следствия годового движения Земли n n n образование времен года, неравномерность дня и ночи в течение года, неравномерное нагревание поверхности Земли, сезонная ритмика, календарь. 50
Смена сезонов года Начало астрономического ЛЕТА в северном полушарии 22 ИЮНЯ (день летнего солнцестояния). В день летнего солнцестояния Земля находится близ афелия. Ось Земли наклонена северным концом к Солнцу, и солнечные лучи в полдень падают отвесно на широту 23° 27' – на Северный тропик. На небе всех широт северного полушария в этот день Солнце занимает наивысшее в году положение. Широты к северу от 66° 33' с ш. (от Северного полярного круга) оказываются полностью на освещенной половине Земли, здесь Солнце за горизонт вообще не заходит. На всех широтах между Северным полярным кругом и экватором день длиннее ночи. Освещенность северного полушария в день летнего солнцестояния наибольшая за год. В южном полушарии в это время начинается астрономическая зима. В южном полушарии в день летнего солнцестояния Солнце особенно низко над горизонтом. К югу от 66° 33' ю. ш. (от Южного полярного круга) – полярная ночь, соответствующая по продолжительности полярному дню тех же широт северного полушария. На всех широтах южного полушария между Южным полярным кругом и экватором день короче ночи. Освещенность южного полушария наименьшая за год. 51
Непрерывно перемещаясь по орбите, 23 СЕНТЯБРЯ Земля займет положение, при котором светораздельная линия проходит через географические полюсы, и день равен ночи па всей Земле. Это день осеннего равноденствия. Оба полушария (северное и южное) освещены одинаково. 23 сентября – начало астрономической осени в северном полушарии и начало астрономической весны в южном. В день весеннего равноденствия – 21 МАРТА Солнце освещает Землю так же, как 23 сентября; оно стоит в зените над экватором и на всех широтах день равен ночи. В северном полушарии наступает астрономическая весна, в южном – осень 52
22 ДЕКАБРЯ, в день зимнего солнцестояния, Земля находится близ перигелия. К Солнцу обращено южное полушарие, там начинается астрономическое лето, в северном полушарии наступает астрономическая зима. Солнечные лучи в полдень падают отвесно на Южный тропик (23° 27' ю. ш. ). Область около Южного полюса, ограниченная Южным полярным кругом (66° 33' ю. ш. ), освещена незаходящим Солнцем; над соответствующей областью в северном полушарии Солнце не восходит. Освещенность южного полушария наибольшая в году, северного – наименьшая. День равен ночи только на экваторе. 53
Прецессия, нутации В настоящее время весна в северном полушарии продолжается 92, 8 суток, лето – 93, 6, осень – 89, 8, зима – 89, 0. Продолжительность времен года на Земле не остается постоянной. Причины изменений – предварение равноденствий, вызванное явлением прецессии. Прецессия – результат неодинакового притяжения Солнцем и Луной Земли в разных ее частях. Земля вследствие ее полярного сжатия имеет некоторый избыток массы в экваториальном поясе. Плоскость экватора, как известно, не совпадает с плоскостью земной орбиты, т. е. с плоскостью, в которой находится Солнце притягивает близлежащую к нему часть экваториального утолщения Земли сильнее, чем противоположную, стремясь повернуть плоскость земного экватора в плоскость эклиптики. Но Земля, как тело вращающееся, противостоит этому воздействию, и в результате ось ее вращения очень медленно описывает в пространстве около перпендикуляра к плоскости орбиты конус с вершиной в центре Земли. Наклон земной оси к эклиптике при этом не меняется. Полный оборот ось вращения делает за 26000 лет. 54
Поскольку изменяется положение земной оси, поворачивается в пространстве и плоскость земного экватора. Точки пересечения ее с плоскостью земной орбиты (эклиптикой) смещаются. Точка весеннего равноденствия перемещается навстречу (к западу) видимому годичному движению Солнца на 50’’ в год, и равноденствие наступает раньше, чем Солнце пройдет все 360° по эклиптике. Промежуток времени между двумя прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия называется тропическим годом в отличие от звездного года, равного времени полного оборота Земли вокруг Солнца. Тропический год приблизительно на 20 мил короче звездного'. Именно он лежит в основе календаря. С каждым оборотом Солнца равноденствие наступает все раньше и раньше (предварение равноденствия); в результате промежуток времени между наступлением времен года и прохождением Земли через перигелий и афелий увеличивается. Сейчас Земля проходит перигелий зимой (3 января), через 6500 лет она будет проходить его весной, через 13000 лет (половина периода прецессии) – летом, и тогда зима в южном полушарии станет короче, чем в северном. Силы притяжения не остаются постоянными, так как изменяются взаимное расположение и расстояние между космическими телами. Поэтому явления прецессии осложняются колебаниями с более короткими (максимум 18 лет) периодами – нутациями и общая картина осложняется. 55
Неравномерность дня и ночи в течение года Изменение продолжительности дня и ночи в течении года вызывает наклон земной оси. В связи с преломлением лучей атмосферой в высоких широтах – 58°- 66° 33’ наблюдаем белые ночи в течении месяца около дня летнего солнцестояния, когда «одна заря сменить другую спешит, дав ночи полчаса» . 56
Пишу, читаю без лампады, И ясны спящие громады Пустынных улиц, и светла Адмиралтейская игла, И, не пуская тьму ночную На золотые небеса, Одна заря сменить другую Спешит, дав ночи полчаса. А. С. Пушкин Название Угол погружения Солнца под горизонт День Солнце выше горизонта Гражданские сумерки 0— 6° Навигационные сумерки 6— 12 Астрономические 12— 18 сумерки Ночь >18
Высота солнца над горизонтом определяется по формуле: h = 90° – φ для дней равноденствия. h = 90° – φ + 23° 27’ – для дней летнего солнцестояния; h = 90° – φ – 23° 27’ для дней зимнего солнцестояния. Для Бреста: 90° – 52 = 38° – 23 сентября, 21 марта 90° – 52 + 23° 27’ = 61° 27’ – лето 90° – 52 – 23° 27’ = 14° 33’ – зима
Самый длинный и самый короткий день в тропических и умеренных широтах Самый длинный день Самый короткий день 0° 12 ч 00 мин 10° 12 ч 35 мин 11 ч 25 мин 20° 13 ч 13 мин 10 ч 47 мин 30° 13 ч 56 мин 10 ч 04 мин 40° 14 ч 50 мин 9 ч 10 мин 50° 16 ч 09 мин 7 ч 51 мин 60° 18 ч 30 мин 5 ч 30 мин 65° 21 ч 09 мин 2 ч 51 мин 66, 5° 24 ч 00 мин 0 ч 00 мин 59
Длина полярного дня и полярной ночи на разных широтах Широта Число суток со сменой дня и ночи (весна) Число суток сплошного дня (лето) Число суток со сменой дня и ночи (осень) Число суток сплошной ночи (зима) 66° 33' 180 1 183 1 70° 119 64 121 61 75° 82 102 83 98 80° 52 133 53 127 85° 25 160 26 154 90° 0 186 0 179 60
Пояса освещенности 61
Закономерное изменение положения Земли по отношению к Солнцу, при ее движении по орбите с сохранением наклона оси вращения, обуславливает положение на Земле линий полярных кругов и тропиков, которые ограничивают пояса освещенности (астрономические тепловые пояса). Они выделяются в зависимости от полуденной высоты Солнца и продолжительности освещения. Между тропиками (северным – Тропиком Рака и южным – Тропиком Козерога) лежит жаркий пояс, в пределах которого Солнце два раза в году в полдень стоит в зените. На экваторе эти моменты разделены равными промежутками времени по 6 месяцев (21 марта и 23 сентября). На тропиках Солнце стоит в зените только один раз в году – в дни солнцестояний: на Северном тропике – 22 июня, на Южном – 22 декабря. На экваторе день всегда равен ночи, на других широтах пояса их продолжительность мало различается. 62
В умеренных поясах, расположенных между тропиками и полярными кругами, Солнце не бывает в зените, но в течение 24 часов обязательно происходит смена дня и ночи, причем продолжительность их зависит от времени года и широты. На полярных кругах Солнце поднимается над горизонтом не выше, чем на 47°. Одни сутки в году оно совсем не заходит за горизонт (день солнцестояния соответствующего полушария) и одни сутки не появляется над горизонтом (день солнцестояния противоположного полушария). К северу от Северного и к югу от Южного полярного круга находятся холодные пояса. На полюсах Солнце полгода светит непрерывно, но самое высокое положение его над горизонтом всего 23, 5°. Линии тропиков и полярных кругов могут быть приняты за границы тепловых поясов лишь условно, в действительности температура зависит не только от высоты Солнца над горизонтом, но и от других факторов, прежде всего от характера подстилающей поверхности. Но границами поясов с различной продолжительностью освещения поверхности солнечными лучами эти линии, безусловно, являются. Пояса освещения – первооснова выделения природных широтных поясов. 63
Календарь – это система измерения больших промежутков времени, основанная на периодических явлениях окружающего мира. Существуют солнечные, лунные и лунносолнечные календари. Солнечный календарь основан на видимом годичном движении Солнца по эклиптике в течение так называемого тропического года – промежутка времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Тропический год на 20 мин короче звездного и равен 365 суткам 5 ч 48 мин 46 с среднего солнечного времени. В Европе известны два солнечных календаря: юлианский (старый стиль) григорианский (новый стиль). Юлианский календарь был введен Юлием Цезарем в 45 г. до н. э. в Древнем Риме. В нем было три простых года по 365 дней и один високосный год – 366 дней – тот, число дней которого делилось на 4. Добавочный день в четвертом году цикла прибавлялся к февралю (29 февраля). В этом календаре ошибка в одни сутки накапливалась за 128 лет, и тогда весеннее равноденствие наступало на одни сутки раньше, чем по календарю. 64
В государствах Европы юлианский календарь был введен в 325 г н. э. В то время весеннее равноденствие приходилось на 21 марта. В XVI в. в 1582 г. погрешность календаря достигла 10 суток и день весеннего равноденствия переместился на 11 марта. Это обстоятельство вносило путаницу в расчеты дней наступления праздника Пасхи, который празднуют в первое воскресенье после первого весеннего полнолуния. Возникла необходимость реформы календаря. Проект реформы был разработан итальянским ученым Л. Лилио Гаралли, а утвержден указом римского папы Григория XIII (отсюда название григорианского календаря). Реформа календаря состояла в двух мероприятиях: 1) погашении погрешности в 10 суток между днем весеннего равноденствия и его календарной датой, поэтому следующим числом после 4 октября 1582 г. стали считать 15 октября 1582 г. , в связи с чем начало астрономической весны опять передвигалось на 21 марта; 2) впредь все «круглые» годы, число столетий которых не делилось без остатка на 4 (1700 г. , 1800 г. , 1900 г. , 2100 г. , 2200 г. и т. п. ), стали считать простыми годами, а 1600 г. , 2000 г. , 2400 г. и т. п. – високосными. Это позволило практически прекратить в будущем переход равноденствий, т. к. ошибка в одни сутки стала накапливаться примерно за 3300 лет. В католических государствах Европы этот календарь был введен давно, а в России лишь 1 февраля 1918 г. , когда 1 февраля стали считать 14 февраля, т. к. в XX в. разница между старым и новым стилями составляла уже 13 суток. В результате 1918 год в XX веке оказался в России самым коротким годом. 65
Скачать презентацию Гномон — cамый древний угломерный инструмент Прибор для
Земля как планета.ppt