5.2 Ритмы Земли и Луны
5.2.1 Суточный ритм
Из космоса наша Земля выглядит как вращающийся голубой шар, летящий вместе со своим естественным спутником (Луной) и несколькими тысячами искусственных спутников (рис.28) вокруг Солнца. Твердое железокаменное тело Земли окружено водой- гидросферой (около 70% поверхности) и газовой оболочкой- атмосферой, состоящей в основном из азота (78%) и кислорода (21%).
Большинство изменений в окружающих нас полях происходит в суточном ритме, который возникает из-за вращения Земли в пространстве. Рассмотрим поэтому сначала чисто механические аспекты вращения Земли и лишь затем проследим за ритмическими изменениями, которые это вращение накладывает на постоянную составляющую полей.
Период вращения Земли есть промежуток времени, за который она делает один оборот относительно определенного направления. Если фиксировать направление на неподвижные звезды, получаются звездные сутки. Направление на Солнце дает солнечные сутки. Длительность звездных и солнечных суток различается потому, что Земля не только вращается вокруг своей оси, но и обращается вокруг Солнца. Продолжительность солнечных суток (как промежутка времени между двумя одинаковыми положениями Солнца на небе) в течение года слегка варьируется, поскольку орбита Земли не окружность, а эллипс. Поэтому, исчисляя время, пользуются понятием средних (за год) солнечных суток.
Земля вращается в пространстве как гигантский волчок или, если использовать термин из механики, как гироскоп. Гироскопы широко используются в технике (особенно в авиации, космонавтике, во флоте) из-за их замечательного свойства: при любых условиях сохранять направление оси вращения в пространстве неизменным. Это свойство гироскопа делает его незаменимым в приборах, обеспечивающих ориентацию и стабилизацию корабля (воздушного, космического, морского) в пространстве.
Земля- гигантский космический гироскоп. Ось вращения Земли (полярная ось) "смотрит " в одном направлении. Эта воображаемая ось проходит через тело Земли, "протыкает " его в полюсах (северном и южном) и, если смотреть с Земли, указывает в направлении Полярной звезды. Вращаясь вокруг своей оси, Земля обращается вокруг Солнца, но направление оси вращения Земли остается практически неизменным 17. Важно знать угол наклона оси вращения Земли к плоскости земной орбиты- эклиптике. Он составляет 66o 33'. Эту цифру легко запомнить. К тому же она встречалась на уроках географии (широта полярного круга). Разность 90o и 66o 33' дает угол между двумя плоскостями: земного экватора и земной орбиты: 23o 27'. Этот угол также фигурирует на географических картах- это широта тропиков.
А как наклонены экваторы других планет к плоскости эклиптики? Достаточно запомнить три цифры: 0o , 90o и 30o . Меркурий, Венера и Юпитер практически не имеют наклона ( 0o ). Две планеты- Уран и Плутон - вращаются вместе со своими спутниками "лежа на боку " ( 90o ). Они как бы "катятся " по орбите. Экваторы остальных планет (Земли, Марса, Сатурна и Нептуна) наклонены к эклиптике на угол чуть меньший 30o (в пределах 26o3 ) .
Мы говорили о наклоне по отношению к плоскости орбиты Земли (к эклиптике). Но можно было говорить и с более общих позиций. Дело в том, что плоскость орбиты Земли с точностью до нескольких градусов совпадает с плоскостью экватора Солнца и с плоскостями орбит других планет (лишь у Плутона плоскость орбиты наклонена к эклиптике на 17o ). Так что практически можно говорить о единой плоскости солнечной системы, как мы говорим, например, о плоскости Галактики.
Нетрудно посчитать скорость, с которой мы движемся в результате осевого вращения Земли. Нужно разделить длину окружности той параллели, на которой мы находимся, на время полного оборота (около 24 часов). Соответствующая длина окружности равна длине окружности экватора, помноженной на косинус географической широты данного места. Так, на экваторе Земли линейная скорость вращения равна 1670 км/час или около 0.5 км/с. Если мы находимся на "макушке Земли "- на северном полюсе, то мы просто поворачиваемся на месте: один поворот на 360o за сутки. И формула показывает, что в этом случае линейная скорость равна нулю: географическая широта полюса равна 90 , а косинус 90o равен нулю. На широте 60o линейная скорость вдвое меньше, чем на экваторе (косинус 60o равен 1/2). Следовательно, Санкт-Петербург вращается со скоростью 835 км/час. Москва и Екатеринбург (широта 56o и 57o ) вращаются чуть быстрее, со скоростью 900 км/час.
Несколько слов об осевом вращении планет. Маленькие железо-каменные планеты (планеты "земной группы ") вращаются сравнительно медленно. Особенно "отличаются " Меркурий и Венера, продолжительность дня на которых составляет 176 и 2760 земных дней, соответственно. Самое быстрое вращение у планет-гигантов. Юпитер и Сатурн делают один оборот примерно за 10 часов, а Уран и Нептун примерно за 18 часов. Из-за столь быстрого вращения форма планет-гигантов заметно отличается от сферической. Вращающиеся планеты как бы сплюснуты у полюсов, так что их экваториальный радиус Rэкв заметно больше, чем полярный Rпол (расстояние от центра до полюса).
Как образуется сплюснутость? На тело, расположенное на поверхности вращающейся планеты действует сила, равная векторной сумме гравитационной и центробежной сил (рис.). На полюсах эта сила больше, чем на экваторе, поэтому вращающееся небесное тело оказывается сплюснутым у полюсов. Отношение центростремительного и гравитационного ускорений 2 R/g=2R3/MG- основной параметр, от которого зависит фигура вращающейся планеты. Сжатие планеты- относительное отклонение ее поверхности от сферы- близко к отношению ускорений:
Сжатие Сатурна составляет 1/9.5 , то есть у Сатурна экваториальный радиус на 10% больше, чем полярный. Земля вращается медленнее Сатурна. Сжатие Земли равно лишь 1/300, ее экваториальный радиус больше полярного всего на 0.3% , а именно на 21,4 км. Таким образом, наша планета имеет небольшое утолщение у экватора. Это утолщение является одной из причин медленного (с периодом 25800 лет) вращения полярной оси. Данное явление называется прецессией оси вращения Земли.
Рис.34: Равновесная фигура вращающейся планеты или звезды. Вектор ускорения свободного падения g есть векторная сумма гравитационного и центробежного ускорений и в каждой точке поверхности направлен по нормали (перпендикулярно) к поверхности