Особенности движения Земли. Движение Земли вокруг Солнца, Смена времен года. Вращение Земли вокруг оси. Маятник фуко. Прецессия и нутация земной оси. Неравномерность вращения Земли.

Движение Земли вокруг Солнца

• Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите с эксцентриситетом e = 0,017.

• Перицентр орбиты Земля проходит 3-4 января, апоцентр – 4-5 июля.

• Скорость движения Земли по орбите не равномерна. Вблизи перицентра Земля имеет скорость большую, чем вблизи апоцентра. Средняя скорость < v > = 29,78 км/с.

• Полный оборот вокруг Солнца (относительно звёзд) Земля совершает за звёздный год, составляющий 365,2564 средних солнечных суток. Продолжительность средних солнечных суток на начало 2000 года была равна 86400,002 сек. Продолжительность средних солнечных суток монотонно возрастает на 0,0017 секунды в столетие.

Смена времён года на Земле

• Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом

66034' = 900 – ε = 900 – 23026'.

• I – положение Земли относительно Солнца в день летнего солнцестояния (δŸ = +ε). Световой поток на широте φ: ФI = Ф0cos(φ – ε).

• II – положения Земли относительно Солнца в дни равноденствий (δŸ = 0). Световой поток на широте φ: ФII = Ф0cos φ.

• III – положение Земли относительно Солнца в день зимнего солнцестояния (δŸ = –ε). Световой поток на широте φ: ФIII = Ф0cos(φ + ε).

• Для широты Минска ФI/ФIII = 3,98. С учетом различной продолжительности дня летом единица поверхности Земли получает ещё большую долю тепловой энергии.

• Из-за малого эксцентриситета в перицентре (зимой) Земля получает на 7%

тепла больше, чем в апоцентре (летом).

Вращение Земли вокруг оси.

• Экваториальный радиус Земли: R 0 = 6378 км

• Период вращения Земли: T = 23h56m04s = 86164s

• Линейная скорость вращения точек земного экватора: v 0 = 2π R 0/ T ≈ 465 м/с

• На широте Минска: v = v 0cos φ ≈ 273 м/с

• Угловая скорость всех точек земной поверхности одинакова: ω = 7,2921·10–5 рад/с

Маятник Фуко — маятник, используемый для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли.

Впервые публичная демонстрация была осуществлена французским физиком и астрономом Жаком Фуко в 1851 г. в Парижском Пантеоне: под куполом Пантеона он подвесил металлический шар массой 28 кг с закреплённым на нём остриём на стальной проволоке длиной 67 м, крепление маятника позволяло ему свободно колебаться во всех направлениях, под точкой крепления было сделано круговое ограждение диаметром 6 метров, по краю ограждения была насыпана песчаная дорожка таким образом, чтобы маятник в своём движении мог при её пересечении прочерчивать на песке отметки. Чтобы избежать бокового толчка при пуске маятника, его отвели в сторону и привязали верёвкой, после чего верёвку пережгли[1].

Период колебания маятника при такой длине подвеса составлял 16,4 секунд, при каждом колебании отклонение от предыдущего пересечения песчаной дорожки составляло ~3 мм, за час плоскость колебаний маятника повернулась более чем на 11° по часовой стрелке, то есть примерно за 32 часа совершила полный оборот и вернулась в прежнее положение.

Прецессия и нутация земной оси

• Если бы Земля имела форму однородного шара и была бы абсолютно твёрдым телом, то направление оси вращения Земли и период вращения были бы постоянными.

• Однако Земля имеет форму, близкую к сфероиду (геоид). Притяжение сфероида складывается из притяжения шара (F) и двух выступов (F 1 и F 2). Т.к. F 1 > F 2, то притяжение тела L стремится повернуть ось вращения PNPS так, чтобы плоскость экватора сфероида совпала бы с направлением TL. В результате ось вращения будет перемещаться в пространстве.

• Т.к. на экваториальные выступы Земли действуют силы притяжения Луны, Солнца и, в меньшей степени, планет, то ось вращения Земли совершает сложное движение.

• Ось вращения Земли описывает конус вокруг оси эклиптики. Такая лунно-солнечная прецессия совершается с периодом 26 000 лет.

• Ось вращения Земли совершает мелкие колебания около среднего положения, которые называются нутацией земной оси. Нутационные колебания возникают из-за того, что силы F 1 и F 2 всё время изменяют свою величину и направление. Воздействие этих сил на ось вращения Земли равно нулю, когда Луна и Солнце находятся в плоскости экватора Земли. Главное нутационное колебание земной оси совершается с периодом 18,6 года, и полюсы мира описывают на небесной сфере эллипсы, большие оси которых равны 18,42", а малые – 13,72".

• Влияние планет слишком мало и сводится к воздействию на движение Земли вокруг Солнца, т.е. на положение в пространстве земной орбиты, т.е. плоскости эклиптики. Планетная прецессия смещает точку ϒ к востоку на 0,117" в год.

Неравномерность вращения Земли

• В результате многочисленных исследований было установлено, что угловая скорость вращения Земли непостоянна, т.е. вращение Земли неравномерно.

• Изменения скорости вращения Земли делятся на три типа:

1. Вековые, вызванные тормозящим действием лунных и солнечных приливов. В результате вековых изменений продолжительность одного оборота Земли увеличивалась за последние 2 000 лет в среднем на 0,0023s в столетие.

2. Нерегулярные (или скачкообразные) могут увеличивать или уменьшать продолжительность суток на тысячные доли секунды за время в несколько месяцев. Природа нерегулярных изменений пока достоверно не

установлена (землетрясения и активизация вулканов?).

3. Сезонные (или периодические) изменения вызываются, по-видимому, сезонными перераспределениями воздушных и водных масс на поверхности Земли. В результате сезонных изменений скорости вращения

Земли продолжительность суток в течение года может отличаться от среднего значения за год на ±0,001s. Самые короткие сутки приходятся на июль-август, а самые длинные – на март.