Лекция_4.pps
реклама
Лекция 4. Осевое (суточное) вращение Земли 1. Суточное вращение Земли вокруг полярной оси. 2. Доказательства вращения Земли. 3. Географические следствия вращения Земли. 1 Земля вокруг своей оси вращается с запада на восток (если смотреть со стороны Северного полюса) против часовой стрелки. 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. Угловая скорость вращения всех точек Земли при этом одинакова: 360°/24 = 15°. 2 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: V1 = V cos φ, где V – скорость на экваторе, φ – широта местности: V1 = 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. 3 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. 4 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. 5 6 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. 7 Сплюснутость Земли 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, 8 чем на полюсе, на 1/200 часть. 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. 9 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. 10 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. 11 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. 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. 12 4. Вращение Земли вызывает действие отклоняющей силы вращения Земли Гюстав Гаспар Кориолис (Gaspard-Gustave de Coriolis) (21.05.1792 - 19.09.1843) 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. 13 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 друг 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. 14 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. Они длиннее звездных, ибо Земля вращается вокруг оси в том же направлении, в котором движется по орбите вокруг Солнца с угловой скоростью около 1° в сутки. Из-за этого Солнце смещается на фоне звезд, и Земле нужно еще довернуться примерно на 1°, чтобы Солнце «пришло» на тот же самый меридиан. Таким образом, за солнечные сутки 15 Земля совершает оборот примерно на 361°. 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. Звездный день немного короче солнечного дня. Когда звездный день заканчивается, Земля должна еще немного повернутся, чтобы "догнать" Солнце. Звездные сутки. Начальное положение. 16 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. 17 18 После Октябрьской революции, 8 февраля 1918 г., поясное деление было введено декретом Совета Народных Комиссаров. Декретом правительства от 16 июня 1930 г. стрелки всех часов на территории Советского Союза были передвинуты на час вперед. Образовалось декретное время, введение которого позволило сэкономить электроэнергию. Срок действия декретного времени был установлен «впредь до отмены» (просуществовало до 1981 г.). Постановлением Совета Министров 1 апреля 1981 года стрелки часов перевели еще на час вперед. Таким образом, летнее время оказалось уже на два часа впереди поясного. В течение десяти лет на зимний период стрелки часов отводились на час назад по сравнению с летним временем, а летом вновь возвращались на место. В марте 1991 года декретное время было отменено. Опережение на два часа вперед было упразднено. Мы перешли на систему отсчета летнее – зимнее время. Зимой использовалось поясное время, а летом часы переводились на 1 час вперед. В Беларуси постановлением Совета министров №1229 от 15 сентября 2011 г. утверждено исчисление времени в соответствии с международной системой часовых поясов по поясному времени плюс один час без перевода стрелок на сезонное время. 19 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. 20 7. Со строение земного шара и его вращением тесно связано формирование его геофизических полей 21 8. Смена дня и ночи создает суточную ритмичность в живой и неживой природе 22 9. 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. 23 24 Малая вода (Бретань, Франция) 25
