6 лет назад
Нету коментариев

Земля совершает множество движений одновременно. В географии принято учитывать и анализировать три из них: орбитальное движение, суточное вращение и движение системы Земля — Луна.

Движение Земли вокруг Солнца. Вокруг Солнца Земля движется по орбите, мало отличающейся от круга. Эксцентриситет земной орбиты е=0,017, средний радиус орбиты 149,6 млн. км. Солнце расположено в одном из фокусов эллиптической орбиты Земли, вследствие чего расстояние между Землей и Солнцем в течение года меняется от 147,117 млн. км (в перигелии) до 152,083 млн. км (в афелии). Большая полуось орбиты Земли, равная 149,6 млн. км, принимается за единицу при измерении расстояний в пределах Солнечной системы.

Скорость движения Земли на орбите тем выше, чем меньше радиус-вектор (расстояние от Земли до Солнца). Средняя орбитальная скорость Земли 29,765 км/с. В перигелии Земля бывает в начале января. Следовательно, в это время движение по орбите происходит быстрее, поэтому зимнее полугодие в северном полушарии короче, чем в южном.

Под действием притяжения других планет положение плоскости земной орбиты, а также ее форма медленно изменяются на протяжении миллионов лет: наклон эклиптики — от 0 до 2,9°, а эксцентриситет — от 0 до 0,067.

Земная ось наклонена по отношению к плоскости орбиты. Она образует с нею угол, равный 66°33′. В процессе движения ось перемещается поступательно, поэтому на орбите возникают 4 характерные точки. В дни равноденствий радиус-вектор находится в плоскости экватора, а светораздельная линия делит все параллели пополам. Благодаря этому солнечные лучи на экваторе в полдень падают отвесно и на всем земном шаре день равен ночи (на полюсах происходит смена дня и ночи). Различают весеннее и осеннее равноденствия. В дни солнцестояний плоскость экватора находится по отношению к солнечному лучу (и радиусу-вектору орбиты) под углом 23°27′. Солнце в этот момент находится в зените над одним из тропиков. Различают летнее и зимнее солнцестояния.

С наклоном земной оси к плоскости орбиты связано наличие таких характерных параллелей, как тропики и полярные круги. Полярный круг — параллель, широта которой равна углу наклона земной оси к плоскости орбиты. Тропик — параллель, широта которой есть угол, дополняющий угол наклона земной оси до прямого. Полярные круги являются границами распространения полярного дня и полярной ночи. В полярный день (ночь) Солнце в течение суток или более не заходит (не восходит). Продолжительность полярного дня (ночи) закономерно возрастает с широтой места от 1 сут (полярный круг) до полугода (полюс). Тропики являются границами зенитального положения Солнца в полдень. На тропиках Солнце бывает в зените один раз, в пространстве между ними — два раза в году.

Установлено, что угол наклона земной оси к плоскости орбиты меняется с периодом около 40 тыс. лет. Это важный географический фактор. От угла наклона оси зависит контрастность сезонов года (в особенности в умеренных широтах): чем меньше этот угол, тем в больших пределах меняется в течение года угол падения солнечных лучей. Кроме того, указанный угол определяет, как было показано выше, положение полярных кругов и тропиков. Чем он больше, тем ближе между собой эти параллели и тем больше пространство, которое отделено ими в приполярном (полярные круги) и приэкваториальном (тропики) поясах. С увеличением угла наклона изменчивость угла падения солнечных лучей уменьшается, уменьшается и выраженность сезонов года. Таким образом астрономический фактор, преломляясь через фактор радиационный, воздействует на природу земной поверхности, обусловливая сезонный ритм ее изменения.

Вращение Земли. Суточное вращение Земли происходит вокруг оси, которая в силу гироскопического эффекта стремится сохранять постоянное положение в пространстве. Вращение Земли происходит равномерно. Отрезок времени между двумя последовательными прохождениями плоскости меридиана данной точки через центр Солнца называют солнечными сутками. Вращение Земли происходит против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса.

Географические следствия суточного вращения Земли следующие:

1. Смена дня и ночи, т. е. изменение в течение суток положения Солнца относительно плоскости горизонта данной точки. С этим изменением связаны суточный ритм солнечной радиации, интенсивность которой зависит от угла наклона земной оси, ритмы нагревания и охлаждения, местной циркуляции воздуха, жизнедеятельности живых организмов.

2. Ось вращения, полюсы и экватор являются основой географической системы координат. Экватор служит плоскостью симметрии, относительно которой размещаются пояса освещения, меняется величина солнечной радиации и другие важные параметры. От полушария (северного или южного) зависит направление силы Кориолиса, а от широты — ее величина; полюсы не участвуют в суточном вращении.

3. Деформация фигуры Земли — сплюснутость с полюсов (полярное сжатие); она связана с возрастанием центробежной силы от полюсов к экватору.

4. Существование силы Кориолиса (геострофической, или поворотной силы):

F_1

где т — масса, v — скорость движущегося тела, со — угловая скорость вращения Земли, ф — широта данной точки. Сила Кориолиса действует только на движущиеся тела, пропорциональна их массе и скорости движения и зависит от широты, на которой расположена точка. Чем больше угловая скорость, тем больше сила Кориолиса (т. е. с удлинением суток за счет действия приливного трения сила Кориолиса уменьшается). Последний фактор существен только в вековом аспекте: для небольших отрезков времени угловая скорость принимается постоянной.

5. Суперпозиция центробежной силы и силы тяготения на Земле дает силу тяжести. Сила тяжести — это векторная разность между силой тяготения и центробежной (рис. 1.6). Центробежная сила растет от 0 на полюсах до максимального значения на экваторе. В соответствии с уменьшением центробежной силы от экватора к полюсу сила тяжести растет в том же направлении и достигает максимума на полюсе (равна силе тяготения).

Сила тяжести

Сила тяжести

Деформация фигуры Земли, обусловленная различиями силы тяжести, еще в большей мере подчеркивает увеличение центробежной силы (уменьшение силы тяжести) к экватору и, таким образом, еще более способствует сплюснутости Земли с полюсов.

Ось вращения Земли медленно описывает относительно некоторого направления — оси эклиптики — конус с углом около 23,5°. Это движение называется прецессией. Вследствие прецессии происходит смещение точки весеннего равноденствия навстречу орбитальному движению Солнца — так называемое предварение равноденствия (примерно на 20 мин в год). За 26 тыс. лет осуществляется один цикл этого движения. Он создает еще один циклический процесс, придающий изменениям в природе крупномасштабную периодичность.

Гравитационное взаимодействие Земли с Луной и Солнцем. Естественный спутник Земли Луна обращается вокруг Земли по эллиптической орбите со средним радиусом 384 400 км (т. е. несколько большим, чем 60 земных радиусов — сокращенно 60 R). Система Земля — Луна, которую мы будем рассматривать, имеет общий центр масс, удаленный от центра Земли на 3/4 ее радиуса. Оба небесных тела перемещаются относительно центра масс таким образом, что любая точка одного небесного тела описывает одинаковую орбиту. Следовательно, в каждой такой точке возникает одинаковая центробежная сила, не зависящая от широты места (в отличие от суточного вращения).

На каждую точку Земли действует кроме центробежной сила тяготения, направленная к Луне. Она зависит от расстояния до возмущающей массы. Если от центра массы Луны до центра массы Земли расстояние равно 60 R, то до ближайшей к Луне точки оно составляет только 59 R, а до самой дальней — 61 R. По закону всемирного тяготения величина силы тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами масс. Следовательно, в точке Z (рис. 1.7) сила тяготения больше, чем в точке О, а в точке N — меньше, чем в любой из точек тела Земли. Величины сил показаны векторами.

Образование приливообразующей силы под воздействием Луны

Образование приливообразующей силы под воздействием Луны

Как уже отмечалось, центробежная сила в любой точке одинакова, так как каждая точка описывает одинаковую орбиту. В центре массы Земли имеет место равенство сил тяготения и центробежной. В точках Z и N равенства нет: в точке Z сила тяготения больше центробежной, а в точке N — больше центробежная сила. Это приводит к образованию приливных деформаций — выпуклостей, или стоячих волн.

Вследствие вращения Земли приливные выступы образуются в каждый следующий момент уже в новых местах земной поверхности, поэтому за промежуток времени между двумя последовательными верхними (или нижними) кульминациями Луны приливные выступы обойдут вокруг всего земного шара и за это время в каждом месте произойдет два прилива и два отлива.

Аналогичное взаимодействие происходит между Землей и Солнцем (а также другими небесными телами, но оно незначительное). Масса Солнца несопоставимо велика по сравнению с массой Луны. В то же время расстояние от Земли до Солнца также значительно больше, чем до Луны, поэтому величина солнечного прилива примерно в 2,2 раза меньше, чем лунного. Так как взаимное положение Земли, Луны и Солнца постоянно меняется, то изменяются и величины солнечных и лунных приливов. Солнечные приливы изменяют величину лунных приливов. Если приливные волны лунного и солнечного происхождения суммируются, прилив называется сизигийным, если вычитаются — квадратурным.

Приливные выступы — стоячие волны — стремятся сохранить по отношению к возмущающим телам одно и то же положение. В результате притормаживается суточное вращение Земли. Средняя величина такого торможения (изменение длительности суток) ничтожно мала, около 1/40 000 с/год. Однако за длительные промежутки времени (в геологическом масштабе) это приводит к заметным последствиям: удлинению суток, уменьшению полярной сплюснутости Земли, уменьшению силы Кориолиса. Некоторые ученые пытаются объяснить торможением суточного вращения Земли различные тектонические и географические процессы.

В заключение заметим, что приливные явления происходят не только в гидросфере, но и в других оболочках Земли. Высота приливной волны в литосфере в средних широтах может достигать 0,4 м. Вертикальные движения, вызванные приливной волной, приводят к выделению тепловой энергии, обусловленной внутренним трением вязкого вещества Земли.