Земля © Гиенко Е. Г. , кафедра астрономии и гравиметрии СГГА
Земля - шар Доказательства шарообразности Земли: 1. … 2. … Самостоятельно … … … Астрономические доказательства: 1) Круглая тень Земли во время лунных затмений 2) Изменение вида звездного неба при движении вдоль меридиана (на север или юг) – см. теорему о высоте полюса Мира
Доказательства суточного вращения Земли Линейная скорость вращения Земли на экваторе: Vэкв = 2 p. R /T, T = 24 часа, R =6400 км Vэкв ≈ 500 м/сек На широте f: Vf = Vэкв cos f
1. Маятник Фуко′ Массивный груз, подвешенный на длинной нити. Может качаться в любой плоскости. Плоскость качания маятника сохраняет неизменную ориентацию в пространстве.
На подвижной Земле плоскость качания поворачивается с угловой скоростью: на полюсе 150/час на экваторе 0 на широте f (150 sin f)/час Маятник Фуко на Северном полюсе. Ось вращения Земли лежит в плоскости колебаний маятника
Первый маятник сооружен французским физиком Фуко в Пантеоне в Париже в 1851 г. . Длина 67 м, масса груза 28 кг. Россия, до 1986 г действовал маятник Фуко в Исаакиевском соборе в Ленинграде. Длина 93 м, масса груза 54 кг
2. Кориолисово ускорение - отклонение любого движения вправо в северном полушарии, и влево – в южном. Следствие: в северном полушарии левые берега рек более пологие, чем правые. (пример: р. Обь, р. Иня в районе разъезда “Иня”) 3. Отклонение падающих тел к западу
4. Суточный параллакс Параллакс – изменение направления на светило при наблюдении из различных точек пространства. При наблюдении в разное время суток с вращающейся Земли направление на светило изменяется. Суточный параллакс мал, для Солнца – 8, 8”, для Луны – 57 ’, для звезд – практически равен нулю.
5. Суточная аберрация Изменение направления на светило в результате сложения скорости света со скоростью движения наблюдателя. Суточная аберрация звезд – 0. 32”. Аналоги: капли встречного дождя, стрельба по движущейся мишени с упреждением
Доказательства годичного движения Земли Средняя скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца: V = 2 p⋅a/T, a = 1 a. e. = 149 600 000 км, T = 1 год, V ≈ 30 км/сек
1. Годичный параллакс Далекие звезды Близкая звезда ⊙ Изменение направления на звезду при наблюдении ее в разное время года из разных точек пространства 1838 г. , Фридрих Вильгельм Бессель, Германия: первое измерение параллактического смещения звезды 61 Лебедя: 0. 3”
2. Годичная аберрация См. “Суточная аберрация” Открыта англ. астрономом Брадлеем в 1728 г. Коэффициент годичной аберрации – 20, 5“ 3. Смещение в спектрах звезд Эффект Доплера: изменение частоты принимаемого сигнала при движении источника излучения удаляется Частота уменьшается, красное смещение ⊙ приближается Частота увеличивается, фиолетовое смещение
Движение оси вращения Земли. Прецессия и нутация
Прецессия Долгопериодические колебания оси Мира в пространстве R PN e эклиптика PN – полюс мира, R – полюс эклиптики Период: ~ 26000 лет; 50, 3” за год Гиппарх, II в до н. э. , Греция Открыл явление прецессии Ньютон, XVII в. Объяснил прецессию
Причина прецессии: возмущающие действия сил тяготения масс Солнца, Луны и планет на вращающуюся эллипсоидальную Землю.
Следствия прецессии: 1. В разные эпохи в качестве Полярной служат разные звезды; 2. Перемещение точки g по эклиптике навстречу Солнцу; 3. Несовпадение астрологического знака и действительного созвездия, в котором находится Солнце; 4. Появление 13 -го созвездия (Змееносец) на эклиптике.
Нутация Короткопериодические колебания оси мира в пространстве Периоды: 18 ⅔ года и меньше Амплитуда: 7÷ 9 угловых секунд Открыл и объяснил явление: Д. Брадлей, Англия, 1747 г R P(t) P 0(t) Причина нутации: возмущающ действие тяготения Луны, P(t) – истинный полюс мира, Солнца и планет на Землю P 0(t) – средний полюс мира, (18 ⅔ года - период прецессии орбиты Луны) R – полюс эклиптики
Движение земных полюсов. Неравномерность вращения Земли. Движение земных полюсов – изменение положения Земли относительно ее оси вращения. На поверхности Земли полюс описывает сложную кривую в пределах квадрата со стороной 26 метров. Периоды колебаний: - свободные колебания (по инерции) 14 мес - сезонные 6 и 12 мес - короткопериодические (до 1 сут) - вековое изменение положения полюса.
-0. 5 Pi УЗП – условный Земной полюс – среднее положение полюса на некоторую эпоху Pi y O УЗП +0. 5 -0. 5 Pi +0. 5 x Движение полюса Земли: Pi – положения мгновенного полюса в разные эпохи; ось Ox направлена вдоль начального меридиана.
Неравномерность вращения Земли – изменение скорости ее вращения 1. Вековое замедление скорости вращения Земли (сутки увеличиваются на 0. 003 сек за 100 лет). Причина – тормозящее действие тяготения Луны (приливы). 2. Сезонные колебания скорости вращения Земли. Продолжительность суток изменяется на ± 0. 001 сек с периодами 6 и 12 мес. 3. Нерегулярные изменения скорости вращения Земли.
Изменение длительности суток в 2000 -2006 гг. График показывает отличие периода вращения Земли от 86400 с (секунд СИ), в миллисекундах. Хорошо видна сезонная неравномерность.
Система Земля-Луна
Движение Луны вокруг Земли Орбита Луны: эллипс, e=0, 055, a=384 400 км Наклон орбиты Луны к эклиптике: i = 50 09’ W’ WW’ – линия узлов пересечение плоскости орбиты Земля i Луны с эклиптикой W, W’ - восходящий, W заходящий узлы Видимое движение Луны происходит вдоль эклиптики, орбиты Эклиптика с запада на восток, 13, 20 за сутки
Месяц – период оборота Луны вокруг Земли Сидерический (звездный) месяц 27, 32 ср. солн. сут. – период оборота Луны вокруг Земли относительно звезд Драконический месяц 27, 21 ср. солн. сут. – промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Луны через один и тот же узел орбиты. Неравенство длительности месяцев – из-за прецессии орбиты Луны – линия узлов поворачивается навстречу движению Луны, поэтому драконический месяц короче сидерического
Смена лунных фаз Синодический месяц 29, 53 ср. солн. сут – период смены лунных фаз 4 1. Новолуние ◑ 1 ◑ ◑ 2 2. Первая четверть ◑ 4. Последняя 3 3. Полнолуние четверть Растущий месяц Старый месяц
Вращение Луны вокруг оси Луна совершает оборот вокруг оси за 27, 32 ср. солн. сут. – сидерический месяц, поэтому Луна обращена к Земле одной стороной С Земли наблюдается 0, 6 поверхности Луны. Причина – либрации (“покачивание)”. Либрация по долготе ± 7054’ – из-за эллиптичности орбиты Луны, Либрация по широте ± 6050’ – из-за наклона оси вращения Луны к орбите. 4 окт. 1959 г, советская АМС “ЛУНА-3” – облет Луны, фотографии ее обратной стороны.
Затмения Солнечные Лунные Схема затмения Солнце Луна Кольцеобразное солнечное затмение: видимый диаметр Солнца больше диаметра Луны полутень Тень Солнце Земля полутень Луна Земля Тень: полное затмение Полутень: частное затмение Условия наступления затмений: 1. Новолуние 1. Полнолуние 2. Луна вблизи узла орбиты (рядом с эклиптикой
Наклон орбиты Луны к плоскости орбиты Земли
Затмения Солнечные Лунные Продолжительность Полная фаза: не более 7 мин Все фазы: до 4, 5 час Полная фаза: до 1 ч 50 мин Все фазы: до 4 час Число затмений в году От 2 до 5 От 0 до 3 Общее число затмений – не более 7 Наблюдение затмений Из полосы лунной тени шириной около 200 км С половины земного шара, где Луна над горизонтом
Сарос - период повторяемости затмений. 18 лет 11, 3 суток Эмпирически определен в Вавилоне, II тыс. лет до н. э. Содержит целое число драконических и синодических месяцев
Полное солнечное затмение 1 августа 2008
Полное лунное затмение
Научные задачи наблюдения солнечных затмений 1. Уточнение теории движения системы Земля-Луна 2. Изучение внешней атмосферы Солнца – хромосферы и короны 3. Проверка эффекта Эйнштейна – отклонения света в гравитационном поле Солнца 4. Изучение ионосферы Земли 5. Влияние затмения на живые организмы
Научные задачи наблюдения лунных затмений 1. Шарообразная форма Земли 2. Изучение верхних слоев земной атмосферы по яркости и окраске Луны.
Приливы Деформация Земли и ее водной оболочки из-за притяжения Луны. Два приливных горба вдоль линии, соединяющей Луну и Землю. На суше – 0, 5 м, на морях/океанах – несколько м Приливы вызывают медленное торможение вращения Земли Изучая приливы, можно судить о твердости и упругости Земли Использование энергии приливов (электростанции)
Определение формы и размеров Земли
Определение радиуса Земли ЭРАТОСФЕН (ок. 275 -194 до н. э. ), один из самых разносторонних ученых античности. p B, f. B R экватор f. B - f. A D A, f. A p R = 1800⋅D/ ((f. B – f. A)0⋅p) Длина дуги меридиана D измеряется, широта f определяется по звездам или Солнцу
Определение формы Земли (арбуз, мандарин или лимон? ) Градусные измерения – измерение длины дуги меридиана в 10. Ряд триангуляции Триангуляция: b Линейные измерения базисов b D~100 км на концах ряда, угловые измерения в ряде треугольников. Результаты: 1. Передача координат от одного края ряда к другому; 2. Длина ряда триангуляции D b
Россия, середина XIX в, дуга Струве: градусные измерения дуги от Ледовитого океана до Черного моря, под руководством О. В. Струве, директора Пулковской обсерватории. Длина дуги в 10: в полярной области – 111, 7 км в южных областях – 110, 6 км Земля сплюснута у полюсов. Причина – вращение Земли вокруг оси. Экватор. радиус Земли a больше полярного b на 21, 4 км Сжатие Земли a = (a-b)/a ≈ 1/298 В настоящее время дуга Струве включена в мировое культурное наследие.
Геоид – уровенная поверхность, во всех точках перпендикулярная отвесной линии. Совпадает со средним невозмущенным уровнем океана. Мысленно продолжена под материками. Определение фигуры геоида (уровенной поверхности) методами космической геодезии: по изучению движения искусственных спутников Земли (ИСЗ) +20 км “Выпуклость” на Северном Геоид полюсе, “Выемка” на южном -30 км Земля – тыква!