Орбита и ось вращения Земли: история исследования, скорость и время обращения

Еще в далекой древности мыслители пытались объяснить, что же такое Земля и мир, в котором мы живем. Орбита и ось вращения Земли довольно долгое время были недосягаемы для понимания философами и учеными древности, но постепенно, шаг за шагом, они приближали нас к истине. И сегодня обладание мощными технологиями — заслуга и результат трудов, в том числе и первого любознательного человека, посмотревшего на небо.

Что такое орбита Земли и ось

Вселенная движется, как и каждый ее отдельный элемент, причем зачастую на огромных скоростях. К примеру, Земля несется в пространстве со скоростью около 30 км/с, и в процессе чтения этих строк ваше положение во вселенной изменилось километров на 150—200. Более того, планета движется не только в каком-то направлении, но и вокруг своей оси.

Как вращается Земля — для обычного наблюдателя неочевидно. Дело в том, что это движение относительно. Например, по отношению к любому объекту на планете положение остается прежним, а вот по отношению к космическим телам — местоположение изменяется постоянно. Люди вместе с Землей вращаются вокруг ее оси, Солнца, центра галактики и так далее.

Вокруг этой линии и происходит оборот, который так и называется — вращение вокруг своей оси. При этом, если представить такое движение в плоскости, ось находится не перпендикулярно, а под углом к ней. Если наблюдать процесс с северного полюса Солнца, Земля будет двигаться против часовой стрелки, и наоборот — с южного.

При этом она представляет собой не круг, а немного вытянутый овал — такую орбиту называют эллиптической. Более того, наклон траектории по отношению к Солнцу постоянно меняется. Если представить, что Солнце статично, Земля движется вокруг него не в одной и той же плоскости. Образно выражаясь, наша планета как бы наматывает нитки на клубок Солнца с равным расстоянием между стежками.

Строение солнечной системы

Солнечная система состоит из центральной звезды — Солнца, планет, их спутников и поясов астероидов, набора комет, метеороидов и других небольших небесных тел, включая космическую пыль. Все они проделывают путь либо вокруг Солнца, либо вокруг планет, либо по другим орбитам.

В скобках указано количество спутников. Кроме этого, у четырех последних присутствуют системы колец, состоящие из более мелких тел, метеоритов и квазиспутников.

Первые четыре называют планетами земной группы, их состав отличается от остальных — в основном это силикаты и металлы. Две следующие — газовые гиганты, состоящие в основном из гелия и водорода. Две последние, помимо того, что являются газовыми гигантами, также выделяются в группу ледяных гигантов.

До 2006 в системе существовала девятая планета — Плутон, однако ее понизили в статусе, так как было принято формальное определение планет, которому она не соответствует. В то же время есть пока не доказанная гипотеза о существовании еще одной планеты в нашей системе, которую на данный момент условно так и называют — «девятая планета».

Кроме основных, в системе присутствуют карликовые планеты, к которым теперь и относят Плутон.

В скобках также указано количество спутников. Ученые отмечают, что карликовых планет, еще не открытых, в нашей системе может насчитываться более сорока.

Наклон оси

Ось вращения Земли находится под углом к плоскости эклиптики. Если представить себе плоскость, по которой Земля совершает оборот вокруг Солнца, это она и есть. Строго говоря, Земля никогда не возвращается в одну и ту же точку, поэтому плоскостью это можно назвать условно, но для упрощения объяснения используется именно эта терминология.

Таким образом, наша Земля «подставляет» Солнцу то свое северное, то южное полушарие.

История исследования

Наши знания о древних цивилизациях получены на основании данных, предоставленных в основном двумя науками — археологией и историей. Первая опирается на изучение артефактов, неких предметов, созданных в процессе жизнедеятельности. Вторая в большей мере базируется на изучении письменных документов и источников.

Еще древние шумеры около трех тысяч лет назад наблюдали и выделяли несколько планет, но их представление о мироздании базировалось на астрологии, которая не столько объясняла параметры планеты, Солнечной системы и Вселенной в целом, сколько была инструментом предсказаний и гаданий. Возможно, кто-то из древних шумерских ученых мог предположить, что Земля круглая и что она вращается хотя бы на основании того, что тень на Луне всегда имеет форму полукруга. Но об этом не оставлено никаких письменных свидетельств, поэтому это нельзя считать историческим фактом.

Ранние представления о Земле основывались на том, что ее искривление невозможно наблюдать на расстояниях, доступных наблюдателю, не оснащенному никакими приборами измерений. Поэтому долгое время считалось, что Земля плоская. Это представление подкреплялось мифическими и религиозными теориями.

Вариации предположений о форме Земли были самыми разнообразными, наиболее популярная описывала ее как диск.

У него были предшественники: основателем греческой теоретической астрономии считают Евдокса, на чьи труды отчасти и опирался Аристотель. Доказательства были основаны также и на математических расчетах. Представления Аристотеля о гелиоцентрической системе, в которой мир вращается вокруг нас, господствовали в научном сообществе вплоть до Коперника и Галилея.

Еще до того, в 5 веке до н. э., некоторые греческие ученые выдвигали гипотезы о суточном вращении нашей планеты вокруг своей оси, однако подавляющее число их собратьев настаивали на неподвижности земной тверди. К моменту доказательства Аристотеля уже существовала гипотеза о том, что центральным элементом является все же Солнце, однако большинство ученых ее не поддерживало.

Спустя пару столетий после Аристотеля, а именно в 140 году до н. э., был опубликован труд под названием «Альмагест», составителем которого был Клавдий Птолемей. Книга включала в себя наиболее современные на тот момент знания греческих и арабских ученых об астрономии и математике. В книге был описан и ряд приборов, которыми пользовались на тот момент для измерения, и это был уже довольно прогрессивный комплект.

Несмотря на основательность и присутствие довольно серьезных расчетов, этот труд также опирался на ошибочные утверждения о неподвижности Земли и вращении вокруг нее небесной сферы.

Попытки продвижения идеи о том, что Земля вращается вокруг своей оси продолжались и в средние века. В 5—6 веках н. э. об этом упоминал индийский астроном Ариабхата, в 13-14 веках н. э. об этом часто говорилось в трудах мусульманских и латинских астрономов, которые нашли доводы против гипотезы о неподвижности.

Автор работал над книгой более сорока лет, она вышла в год его смерти, и Николай так и не успел увидеть ее отпечатанный экземпляр. Его труды по праву признают «основополагающим двигателем» первой технической революции.

Его учение сталкивалось с серьезным сопротивлением европейской церкви, поскольку в Священном Писании в вопросах мироздания, берущих истоки в шумерских и вавилонских представлениях, было сказано, что Земля неподвижна, а Солнце движется вокруг нее.

Изначально Галилей получил даже некоторое одобрение церкви в вопросах защиты коперниканства, он был принят папой Павлом V, включен в состав научной « Академии деи Линчеи«, изобрел телескоп, который был разрешен духовенством. Однако в дальнейшем он предпринял неудачные попытки трактования Священного Писания, в которых называл его неавторитетным в научных вопросах. Это и другие его высказывания и действия спровоцировали реакцию.

Попытки церкви, возможно, замедлили, но не остановили научный прогресс. Еще до эдикта, в 1600 году, был сожжен Джордано Бруно, расширивший труды Коперника и сделавший на их основании философские выводы о наличии еще не открытых небесных тел в нашей системе, о множестве миров, о том, что звезды — это далекие солнца, подобные нашему. Примечательно, что даже на 400-летие этого события Папа не признал вины церкви.

Другой астроном, Иоганн Кеплер, существенно усовершенствовал труды Коперника, по сути, полностью их обновил. Он вывел три закона движения планет, которые объясняли неравномерность их движения, заменил эпициклы (во многом надуманные кривые движения планет) на эллипс, ввел понятие орбиты, вывел «уравнение Кеплера», с помощью которого определялось положение планет. Его работы в дальнейшем были использованы Ньютоном, которого считают родоначальником науки под названием «динамика», применимой и к движению небесных тел. Закон тяготения Ньютона научно математически доказывал связь гравитации и траекторий движения планет.

Еще до Коперника ряд ученых и философов высказывались в пользу вращения Земли, аргументируя это тем, что легче представить вращение маленькой планеты, чем огромной вселенной.

Со второй половины 16 века астрономические наблюдения стали регулярными. Открытия давали дорогу все новым и новым доказательствам тех или иных астрономических явлений. Было установлено, что кометы не являются атмосферным явлением, как считал Галилей, что явно доказывало их движение в свободном пространстве, а не по небесным сферам. Это подтверждало, что не сферы вращаются вокруг нас, причем с огромными скоростями, а, скорее всего, это мы — вращаемся.

Еще одним кирпичиком в пользу гипотезы о вращении Земли стал принцип относительности Галилео Галилея. Противники отмечали, что если бы Земля вращалась, то предмет брошенный с высоты должен был бы падать с отклонением в сторону, противоположную направлению вращения. А принцип относительности объяснял, почему вращение Земли не сказывается на таком отклонении при равномерном движении. Кстати говоря, камень, брошенный с башни, все же падает не совсем перпендикулярно, соответствующие эксперименты были проведены только в начале 19-го века.

Многие безымянные ученые и астрономы в течение тысячелетий прилагали усилия для того, чтобы понять, как устроена наша вселенная, и результатом этого совокупного стремления стало осмысление новой космологии, в основе которой лежит представление о безграничности вселенной.

Работы Коперника, Галилея, Ньютона и многих-многих других ученых и философов привели к доказательству того, что центром нашей системы является Солнце, а Земля и другие планеты вращаются вокруг него, и все они — вокруг своих осей.

Скорость движения

Земля совершает вращение по направлению с запада на восток.

Угловая скорость рассчитывается по формуле: 2 Пи ÷ звездные сутки = 7,292115078·10–5 c–1.

Линейная скорость вращения Земли (на экваторе) составляет 465,1013 м/с (1674,365 км/ч). Скорость оборота Земли вокруг своей оси зависит от широты: на экваторе она будет максимальной, на полюсах, соответственно, минимальной. Так, на широте 60° скорость в два раза меньше, чем на экваторе.

Времена года

Орбита Земли проходит то ближе, то дальше от Солнца. Точка наиболее близкого схождения называется перигелием, а наиболее далекого — афелием. Но времена года и температура зависят не от этого, разница между перигелием и афелием составляет всего 1,5—2 % от средней величины (средняя величина в данном случае — это расстояние до Солнца, она носит название астрономической единицы и равна примерно 149 600 000 км ). То есть нашу орбиту можно назвать настолько приближенной к кругу, что эти небольшие отклонения не оказывают существенного влияния на изменение сезонных температур.

Время обращения Земли вокруг Солнца составляет 365.242199 средних солнечных дней, этот период почти равен нашему календарному году.

Астрономический год несколько больше календарного, поэтому каждые четыре года набегают еще одни сутки, а в феврале добавляется еще один день. Такой год называется високосным.

Траектория планеты формируется таким образом, что в один период времени ось Земли ближе к Солнцу своим южным полюсом, а в другой — северным. Соответственно, если в первом случае большую долю тепла получает южное полушарие, то во втором — северное. Именно это влияет на времена года. Связано это с тем, что угол оси планеты к плоскости эклиптики не меняет своего наклона и всегда составляет 23,4°. Таким образом, если представить себе вид спереди, то в крайней левой точке к Солнцу будет северный полюс, а в крайней правой — южный.

Интересно, что сезонность на экваторе выражена совсем не так, как в средних широтах, ведь его удаленность от светила зависима от оси вращения в наименьшей степени. В то же время меняется угол расположения Солнца по отношению к земному экватору. Этот угол имеет четыре пиковых точки, которые и разделяют времена года. В наиболее крайних положениях их называют точками солнцестояния и равноденствия. Первая считается датой начала зимы/лета, вторая — весны/осени.

Равноденствие

Момент прохождения Солнцем небесного экватора является датой равноденствия. То есть в этот момент времени Солнце расположено по отношению к земному экватору практически перпендикулярно, то есть и северное, и южное полушарие получают равную долю света и тепла.

Смысл этого термина отображен в его названии — это дата, когда день и ночь почти равны друг другу по времени. Такое соотношение Земли и Солнца случается дважды в год, соответственно, различают весеннее и осеннее равноденствие.

Даты немного «плавают» и могут отличаться в разных часовых поясах, они приходятся примерно на 20 марта и на 22-23 сентября. Эти числа считаются началом астрономической весны и осени, при этом эти сезоны противоположны в разных полушариях. Если в северном в марте наступает весна, то в южном — осень, и наоборот.

Солнцестояние

Явления, когда Солнце по отношению к экватору находится в самом крайнем положении (то есть в моменты, когда угол отклонения от перпендикуляра к экватору Земли наиболее высок), называются солнцестоянием. Такие события так же, как и равноденствие, случаются дважды в год. Называются они зимним и летним солнцестоянием и приходятся на 21—22 декабря и 20—21 июня.

Для северного полушария 21 декабря — дата, когда продолжительность дня минимальна, а ночи — максимальна. Затем длительность дня начинает возрастать (а ночи — уменьшаться) до тех пор, пока 21 июня не начинается обратный процесс. Под днем понимается период между восходом и заходом Солнца. И здесь также применим принцип противоположности: что в северном полушарии самый короткий, то в южном — самый длинный день.

На бытовом уровне в средних широтах можно наблюдать изменения расположение Солнца над горизонтом в полдень. В день зимнего солнцестояния наше светило будет находиться в самой нижней точке над горизонтом, а затем с каждым днем располагаться все выше и выше. В день летнего солнцестояния оно будет расположено в наивысшей точке и затем пойдет на убыль, следствием чего будет также и сокращение дня.

Особенности календаря

Поскольку полный период оборота Земли вокруг Солнца не является кратным числом, для удобства календарный год округляется до 365 суток. Однако реальный период несколько больше, поэтому примерно за четыре года «набегает» еще один день. Год, когда этот день добавляется, называется високосным, а остальные года являются, соответственно, невисокосными.

Однако и это не приводит к полному соответствию, поскольку астрономический год между днями равноденствия составляет (опять же, примерно) около 365 суток 5 часов 49 минут. Еще 11 минут и все было бы идеально, но этот относительно незначительный отрезок на относительно больших временных дистанциях также накапливается.

За 128 лет необходимо добавлять еще один день.

Эта особенность была подмечена благодаря церковным праздникам, которые должны были приходиться на день равноденствия, а на деле к 16 веку запаздывали почти на 10 дней (равноденствие случалось раньше).

Эта погрешность была устранена спустя почти 16 столетий спустя после того, как был введен високосный год (введен в 45 г. до н. э., исправлено в 1582 г. н. э.). К концу 16-го века была проведена реформа календаря: теперь для соответствия високосному было недостаточно, чтобы год делился на 4. Года, которые кратны 100, перестали считаться високосными. Исключение составляют те, которые, помимо 100, кратны еще и 400.

Причины сезонных изменений

Сезонные изменения происходят благодаря тому, что Земля в течение года находится ближе к Солнцу то одним, то другим полюсом, так как земная ось находится под углом к плоскости эклиптики. Таким образом, Солнце, от которого планета получает львиную долю энергии, в большей мере обогревает то полушарие, которое к нему ближе. Движение вокруг Солнца циклично, поэтому такова же и смена сезонов.

Существуют также географические особенности, такие как неравномерное распределение гор и равнин, воды и суши. Все это влияет на погодные условия.

Направленная энергия Солнца в большем объеме достается экваториальным и относительно близким к нему областям, поэтому лето, каким оно является в понимании жителя средней полосы России, совсем не совпадает с тем, какое оно в тропиках или экваториальном поясе. То же относится и к другим сезонам.

Астрономическими датами смены сезонов считаются дни равноденствия и солнцестояния.

В первом случае Солнце находится под максимальным углом к экватору, что соответствует смене осеннего и весеннего сезонов в разных полушариях. Во втором случае Солнце находится перпендикулярно к экватору — это периоды астрономической смены летнего и зимнего сезонов. В разных полушариях сезоны всегда противоположны.

Интересные факты

Термин «високосный» произошел от латинского bis sextus, что означает «второй шестой». Одной из единиц измерения римского календаря были «календы» — первое число месяца. При этом специальное обозначение имела дата за шесть дней до календы, в феврале такой датой было 24 число. Увеличивая февраль на еще один день, в понимании Гая Юлия Цезаря, который и ввел понятие високосного года, он увеличил его на еще одно 24 февраля, то есть добавил второй шестой день до даты первого числа марта.

Земля вращается не только вокруг Солнца и вокруг своей оси, оборот делает и сама ось. То есть, если представить плоскость, по которой наша планета движется вокруг звезды, наклон оси составит 23,4°, но при этом ось также оборачивается вокруг воображаемого перпендикуляра к этой плоскости. Такое явление называется прецессией небесных тел. Однако полный оборот оси нашей планеты составляет около 25 765 лет, поэтому этот процесс не оказывает значительного влияния на нашу повседневную жизнь.

Существует три календарных системы: лунная, солнечная и лунно-солнечная. Месяц в них, соответственно, согласован с фазами Луны, движением Солнца, а в третьем случае — и с тем, и с другим. Так, например, помимо привычного григорианского календаря, существует Еврейский календарь (основан на лунном календаре), и в високосный год к нему добавляется не день, а целый месяц. Високосным является каждый второй или третий год. Сейчас по этому календарю идет 5779-й год. По исламскому календарю сейчас 1440-й, по японскому — 29-й год эпохи под девизом Хэйсэй (установление мира) , а по китайскому — 2019-й, год Желтой Земляной Свиньи.

Видео

Дополнением к статье служит видео о движении Земли и смене сезонов.