Траектория движения земли. С какой скоростью Земля обращается по орбите. С какой скоростью Земля движется вокруг Солнца
Мы мчимся вокруг Солнца с невероятной скоростью - около 100 000 км/ч. И ежегодно, пролетая около девятисот миллионов километров, возвращаемся в ту же точку, с которой и начали это невероятное путешествие сквозь сумрак и вакуум космоса. Три основных параметра: орбита Земли, ее вращение вокруг собственной центральной оси и наклон этого воображаемого стержня, называемый прецессией, сформировали внешний вид планеты и до сих пор продолжают формирование ее облика. А значит, и определяют всю жизнь человечества каждую минуту любого дня в течение миллиардов лет существования Земли.
Но есть еще четвертый судьбоносный параметр, без которого и орбита Земли, и ее обращение вокруг центральной оси, и прецессия оказались бы бессмысленны с точки зрения формирования такого необыкновенного облика планеты, а, самое главное, зарождения и развития жизни на ней.
Дело в том, что Земля в Солнечной системе занимает совершенное невероятное, идеальное, уникальное (здесь любой эпитет будет уместен!) положение, уже названное мировой наукой «поясом Златовласки». Под этим понятием подразумевается такое относительно небесного светила, при котором вода пребывает в жидком состоянии, а, следовательно, становится возможным появление жизни. Орбита Земли как раз удобно расположилась на таком комфортном и благоприятном расстоянии от Солнца.
С момента собственного рождения наша голубая планета сделала уже свыше четырех миллиардов оборотов по своей феноменальной орбите. И все, мимо чего пролетает Земля, вновь и вновь проделывая свой космический путь, является чрезвычайно враждебной окружающей средой. Это самое экстремальное путешествие в истории человечества.
Орбита Земли вокруг Солнца - очень опасный маршрут, где смертельные солнечные излучения и губительный космический холод сопровождаются яростными атаками комет и астероидов. Это уже не говоря о колоссальном количестве менее вероятных угроз. Но, несмотря на многочисленные опасности, подстерегающие нас на пути, орбита Земли, как было сказано выше, расположена в совершенно правильном месте. Идеально правильном для зарождения жизни. Остальным планетам Солнечной системы повезло гораздо меньше…
Земля родилась чуть более четырех миллиардов лет назад из облаков космической пыли и газа, которые остались после формирования Солнца и вращались вокруг новорожденной звезды. Это рождение было суровым испытанием, как для самой планеты, так и для ее орбиты. По мере своего роста юная Земля подвергалась атакам других космических тел - началась эпоха Великих Столкновений, которая в итоге и предопределила всю упорядоченность структуры нашей планетарной системы.
Существуют неопровержимые доказательства, что в этот период хаоса с некой небольшой планетой, также вращавшейся вокруг Солнца. Результатом этого космического катаклизма стало явление прецессии. Земля начала вращаться под углом в 23,5 о относительно вертикали, что и обусловило такое разнообразие климатических зон на планете. Если бы центральная ось располагалась перпендикулярно относительно орбиты, день на нашей планете был бы равен ночи. И мы никогда не увидели бы восходов и закатов…
> > > Орбита Земли
Орбита Земли вокруг Солнца в Солнечной системе: описание эллиптического движения, смена сезонов планеты, весеннее и осеннее равноденствия, точки Лагранжа.
В 16-м веке Николай Коперник произвел настоящую революцию, доказав, что в центре Солнечной системы установлено Солнце, а остальные объекты совершают обороты вокруг (гелиоцентрическая система). Тогда что насчет круговой орбиты Земли ?
Орбитальные характеристики Земли
Земля вращается вокруг Солнца по орбите с ускорением в 108000 км/ч, тратя на один проход 365.242199 солнечных дней. Да, именно поэтому через каждые 4 года мы нуждаемся в добавлении дня.
Расстояние от Земли до Солнца меняется по мере прохода. Планета приближается (перигелий) на 147 098 074 км. Средняя удаленность – 149.6 млн. км. Наибольшая отстраненность (афелий) – 152 097 701 км.
Если вы проживаете в северном полушарии, то могли отметить, что тепло/холод не сходятся с принципом удаленности, потому что зависят от осевого наклона.
Эллиптическая орбита Земли
Нет, маршрут планеты не выступает идеальным кругом. Мы вращаемся по вытянутому эллипсу. Впервые это описал Иоганн Кеплер. Можете изучить движение Земли по орбите на схеме.
Ученый измерил орбиты Земли и Марса и понял, что периодически они ускорялись и тормозили. Это совпадало с показателями афелия и перигелия, а значит дистанция от звезды основывается на орбитальной скорости (никакой круговой орбиты).
Для характеристики природы эллиптических орбит исследователи используют понятие эксцентриситета – от 0 к 1. Если он приближен к 0, то имеем практически круг. У Земли – 0.02, то есть близка к круговой.
Сезонные перемены орбиты
Большую роль играет наклон оси Земли. Наши 4 сезона (времена года) появились только благодаря тому, что вращение оси находится под углом в 23.4°. Это приводит к солнцестоянию и равноденствию.
То есть, если северное полушарие отошло от Солнца, то уходит в зимнее время, а на южном – летний зной. Через 6 месяцев они меняются местами. Зимнее солнцестояние приходит 21 декабря, летнее – 21 июня, весеннее равноденствие – примерно 20 марта, а осеннее – 23 сентября.
О точках Лагранжа
Что такое точки Лагранжа в космосе? Это также интересный момент. На нашем орбитальном пути расположено 5 точек, где общая гравитационная сила между Землей и Солнцем гарантирует центростремительную силу.
Точки отмечены от L1 до L5. L1, L2 и L3 установлены на прямой линии от нас к Солнцу. Они не отличаются стабильностью, а значит отправленный туда спутник будет смещаться.
L4 и L5 пребывают на углах двух треугольников, где внизу располагаются Солнце и Земля. Из-за своей устойчивости являются наилучшими местами для позиции зондов и телескопов.
Нам важно изучать орбиту не только родной планеты, но и чужих миров в Солнечной системе. Потому что удаленность от звезды часто играет ключевую роль в наличии жизни на Земле.
В астрономии земная орбита – это движение Земли вокруг Солнца со средним расстоянием 149 597 870 км. Земля полностью огибает Солнце каждые 365.2563666 дней (1 звездный год). При данном движении Солнце перемещается по отношению к звездам на 1° в день (или диаметр Солнца или Луны каждые 12 часов) на восток, как это можно увидеть с Земли. Для того чтобы сделать полный оборот вокруг своей оси Земле требуется 24 часа, после чего Солнце возвращается на свой меридиан. Орбитальная скорость Земли при движении вокруг Солнца в среднем равна 30 км в секунду (108 000 км в час), что достаточно быстро, чтобы покрыть диаметр Земли (около 12700 км) за 7 минут или расстояние до Луны (384 000 км) за 4 часа.
При изучении северных полюсов Солнца и Земли было установлено, что Земля вращается по отношению к Солнцу в направлении против часовой стрелки. Также Солнце и Земля вращаются против часовой стрелки вокруг своих осей.
Земная орбита, огибая Солнце, проходит расстояние примерно 940 миллионов км за один год.
История исследования
Гелиоцентризм – теория, гласящая, что Солнце находится в центре Солнечной системы. Исторически сложилась так, что гелиоцентризм противоречит геоцентризму, который гласит, что Земля находится в центре Солнечной системы. В 16 веке Николай Коперник представил полную работу о гелиоцентрической модели вселенной, которая была во многом схожа с геоцентрической моделью Птолемея Альмагеста, представленной во 2 веке. Эта Коперниковская революция утверждала, что ретроградное движение планет только казалось таковым, и не было очевидным.
Влияние на Землю
Из-за наклона оси Земли (также известен как наклон эклиптики) наклон траектории Солнца в небе (как можно увидеть на поверхности Земли) изменяется в течение года. При наблюдении за северной широтой, когда северный полюс наклонен к Солнцу, можно увидеть, что день становится длиннее, а Солнце восходит выше. Такое положение приводит к увеличению средних температур, поскольку увеличивается количество солнечного света, достигающего поверхность. Когда северный полюс отклоняется от Солнца, то в целом температура становится прохладнее. В крайних случаях, когда солнечные лучи не достигают северного полярного круга, в определенный период днем полностью отсутствует свет (это явление называется полярной ночью). Такие изменения в климате (из-за направления наклона оси Земли) происходят в зависимости от сезонов.
События на орбите
По одному астрономическому соглашению четыре сезона определяются солнцестоянием – орбитальной точкой с максимальным наклоном оси к Солнцу или от него и равноденствием, при котором направление наклона и направление Солнца перпендикулярны друг другу. В северном полушарии зимнее солнцестояние происходит 21 декабря, летнее солнцестояние – 21 июля, весеннее равноденствие – 20 марта и осеннее равноденствие 23 сентября. Наклон оси в южном полушарии полностью противоположен ее направлению в северном полушарии. Поэтому сезоны на юге противоположны северным.
В наше время Земля проходит перигелий 3 января, а через афелий 4 июля (для других эпох см. прецессии и циклы Миланковича). Изменение направления Земли и Солнца приводит к увеличению солнечной энергии на 6,9%, которая достигает Земли в перигелии относительно афелия. Поскольку южное полушарие наклоняется к Солнцу примерно в то же время, когда Земля достигает самой ближайшей точки от Солнца, в течение года южное полушарие получает немного больше солнечной энергии, чем северное полушарие. Однако такой эффект менее значителен, чем общее изменение энергии из-за наклона оси: большинство получаемой энергии поглощают воды южного полушария.
Сфера Хилла (гравитационная сфера влияния) Земли в радиусе составляет 1500 000 километров. Это максимальное расстояние, где гравитационное влияние Земли сильнее, чем сила более отдаленных планет и Солнца. Объекты, вращающиеся вокруг Земли, должны попадать в данный радиус, иначе они могут стать несвязанными из-за гравитационного волнения Солнца.
На следующей диаграмме показано соотношение между линией солнцестояния и линией аспиды эллиптической орбиты Земли. Орбитальный эллипс (эксцентриситет преувеличен для эффекта) показан на шести изображениях Земли в перигелии (периапсида-ближайшая точка к Солнцу) с 2 по 5 января: здесь также можно увидеть мартовское равноденствие с 20 по 21 марта, точку июньского солнцестояния с 20 по 21 июня, афелий (апоцентр – дальняя точка от Солнца) с 4 по 7 июля, сентябрьское равноденствие с 22 по 23 сентября и декабрьское солнцестояние с 21 по 22 декабря. Обратите внимание, что на диаграмме показана преувеличенная форма земной орбиты. В действительности путь земной орбиты не такой эксцентрический, как показано на диаграмме.
Земля совершает не только суточное вращательное движение вокруг оси (подробнее: ), а обладает ещё поступательным движением по своей орбите вокруг Солнца , вместе с другими планетами чего мы, однако, не замечаем.
Земля вокруг солнца
Нам кажется, что Земля находится в неподвижном состоянии, а Солнце обращается вокруг неё.
Чтобы наиболее наглядно представить , вообразите, что ваш корабль бросил якорь и встал на рейд около какого-то портового города. Вы спустили шлюпку и пошли в устье небольшой реки. Стоит ясная и тихая погода. Шлюпка несётся по водной глади, и кажется, что берега реки быстро бегут вам навстречу, а шлюпка стоит неподвижно.
Вот такой же неподвижной люди раньше считали Землю, наблюдая кажущееся движение Солнца по зодиакальным созвездиям.
Всего в солнечной системе известно девять больших планет : Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон . Собственного света планеты не имеют, и если иногда мы наблюдаем их в виде очень ярких звёзд, то это потому, что они отражают падающий на них свет Солнца.
Планеты перемещаются по небу между звёздами, почему их и назвали планетами, то есть «блуждающими светилами».
Периоды вращения планет вокруг Солнца
Скорости и периоды вращения планет вокруг Солнца различны в зависимости от их расстояния до Солнца. Планеты, более близкие к Солнцу, вращаются с большей скоростью и совершают свои путь вокруг него в значительно более короткие промежутки времени, чем планеты, находящиеся дальше от Солнца.
Так, например, Меркурий – ближайшая к Солнцу планета – совершает свой путь вокруг Солнца всего лишь в 88 суток . Плутон, находящийся по сравнению со всеми другими известными нам планетами на самом далеком расстоянии от Солнца, – в 249 земных лет .
Пути, по которым вращаются планеты вокруг Солнца
Пути, по которым вращаются планеты вокруг Солнца , называются их орбитами . Орбиты планет представляют собой эллипсы, или вытянутые окружности. Впервые это доказал гениальный математик и астроном Иоганн Кеплер .
Степень вытянутости планетных орбит различна и сравнительно невелика. Наибольшей вытянутостью обладают орбиты Меркурия и Плутона. Что касается земной орбиты, то можно сказать, что она почти не отличается от окружности .
Эллипс нетрудно нарисовать. Возьмём небольшой длины нить и свяжем её концы между собой. Наденем эту нить на две булавки, воткнутые в лист бумаги, плотно лежащий на столе, одна от другой на расстоянии, немного меньшем половины всей нити.
Натянем карандашом нить и, сохраняя ее в этом положении, проведём им по листу бумаги, лежащему на столе. Получится эллипс.
Точки, в которые воткнуты булавки, называются фокусами . Солнце находится в одном из фокусов эллипсов орбит Земли и всех других планет солнечной системы.
Фокусы планетных орбит находятся очень близко к центрам эллипсов, которые лежат как раз посредине между фокусами.
Расстояние Земли от Солнца
Среднее расстояние Земли от Солнца составляет около 150 миллионов километров . Это расстояние почти в 3750 раз превышает длину окружности земного экватора. Чтобы покрыть расстояние от Земли до Солнца, поезд, движущийся со скоростью 50 километров в час, должен идти без остановок около 350 лет. Даже на самолёте, летящем со скоростью около 350 километров в час, нам потребовалось бы 50 лет, чтобы долететь до Солнца.
Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает за год, точнее в 365 ¼ суток. В это время наша планета покрывает в мировом пространстве расстояние около 900 миллионов километров. Более 20 тысяч лет должен безостановочно идти пешеход, проходя за каждый час 5 километров, чтобы пройти это расстояние. Самолёту, летящему со скоростью 350 километров в час, потребовалось бы около 300 лет, чтобы совершить беспосадочный перелёт на расстояние, равное годичному пути нашей Земли.
Каждую секунду Земля перемещается по своей орбите почти на 30 километров . В час она проходит путь около 108 тысяч километров . Представляете теперь себе, насколько велик годичный путь Земли и с какой громадной скоростью она мчится в безграничных мировых просторах.
Мы, постоянные земные пассажиры, не ощущаем ни сотрясений, ни каких-либо других неудобств в своём путешествии по Вселенной на этом «корабле». Нам не страшна бездна, окружающая нас, – мы крепко обосновались на нашей Земле.
Если бы мы могли создать такой летающий снаряд, скорость полёта которого равнялась бы скорости движения Земли вдоль своей орбиты или хотя бы даже 11 – 12 километрам в секунду, то этот снаряд при первом же своём полёте покинул бы Землю и, преодолев силу её притяжения, навсегда скрылся бы от наших взоров в безграничном мировом пространстве.
Если бы мы имели такую пушку, снаряды которой обладали бы скоростью полёта около 9 километров в секунду, то эти снаряды превратились бы в вечных спутников нашей планеты, они вечно кружились бы вокруг Земли и никак не могли бы ни улететь далеко в космическое пространство, ни упасть на Землю.
Путь Земли по орбите
Земля движется по своей орбите вокруг Солнца не с одинаковой скоростью. Чем ближе она находится к Солнцу, тем больше её скорость, и, наоборот – с удалением от Солнца её скорость уменьшается. В точке афелия (точка на земной орбите, которая дальше всего находится от Солнца), скорость движения Земли наименьшая, а в точке перигелия (точка на земной орбите, которая находится ближе всего к Солнцу) – наибольшая.
Земля, подобно другим планетам, движется вокруг Солнца. Этот путь Земли называют орбитой (лат. Orbita – колея, дорога). Доказательствами орбитального движения Земли служат явления аберрации света звезд и их параллактическое смещение, которым присущ периодический характер. Периодичность равна одному году, что соответствует времени обращения Земли вокруг Солнца.
Отражением движения Земли по орбите является движение Солнца по эклиптике. Эклиптика – большой круг небесной сферы, образующийся при пересечении ее плоскостью орбиты. Плоскость эклиптики наклонена к плоскости небесного экватора и пересекается с ней под углом 23°27". Места их пересечения называются точками весеннего и осеннего равноденствия. В этих точках Солнце бывает дважды в году – 21 марта и 23 сентября при переходе из южного полушария в северное и наоборот.
Орбита Земли – эллипс, близкий к окружности, в одном из фокусов которого находится Солнце. Расстояние от Земли до Солнца изменяется в течение года от 147 млн. км в перигелии (2 января) до 152 млн. км в афелии (5 июля). Длина орбиты более 930 млн. км. Земля (точнее, барицентр) движется по орбите с запада на восток, совпадая с направлением ее осевого вращения, со средней скоростью около 29,8 км/с и проходит весь путь за 365 сут. 6 ч 9 мин 9 с. Этот промежуток времени называют звездным (сидерическим) годом.
Тропический год – промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Он на 20 мин короче сидерического года и равен 365 сут. 5 ч 48 мин 46 с, так как точка весеннего равноденствия медленно смещается в направлении движения Земли по орбите (навстречу видимому годичному движению Солнца) на угол 50" в год и равноденствие наступает раньше, чем Солнце пройдет 360° по эклиптике. Это явление было названо предварением равноденствий, и вызвано оно прецессией. Прецессия – медленное конусообразное вращение земной оси вокруг перпендикуляра к плоскости орбиты с вершиной в центре Земли. Период ее полного оборота составляет около 26 тыс. лет. Прецессия обусловлена притяжением Солнцем и Луной экваториальной выпуклости Земли и стремлением их повернуть земную ось в перпендикулярное положение к плоскости орбиты, чтобы совместить плоскости небесного экватора и эклиптики. Но Земля, как всякое вращающееся тело, противодействует этим силам, что вызывает конусообразное вращение ее оси вокруг полюсов (подобно оси вращающегося волчка). Из-за изменения положения земной оси и оси мира изменяется положение в пространстве земного и небесного экватора и соответственно точек весеннего и осеннего равноденствия.
Благодаря предварению равноденствий постепенно смещается на более ранние сроки начало всех сезонов года. Через 13 тыс. лет поменяются местами даты весеннего и осеннего равноденствия, лето северного полушария будет приходиться на декабрь, январь и февраль, а зима – на июнь, июль и август.
Следствием прецессии является также перемещение полюсов мира среди звезд. Если сейчас близлежащей звездой к Северному полюсу мира (Р) является Полярная звезда в созвездии Малая Медведица, то через 13 тыс. лет на ее месте окажется и станет полярной звезда Вега в созвездии Лира.
В современную эпоху ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5° и перемещается в течение года в пространстве параллельно самой себе. Это приводит к смене времен года и неравенству дня и ночи – важнейшим следствиям обращения Земли по орбите вокруг Солнца.
Если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты, то светораздельная плоскость и терминатор (светораздельная линия на поверхности Земли) проходили бы через оба полюса и делили бы все параллели пополам, день всегда был бы равен ночи и солнечные лучи на экватор в полдень падали бы всегда отвесно. По мере удаления от экватора угол их падения уменьшался бы и на полюсах становился бы равным нулю. В этих условиях нагревание земной поверхности в течение года уменьшалось бы от экватора к полюсам и смены времен года не было бы.
Наклон земной оси к плоскости орбиты и сохранение ее ориентировки в пространстве обусловливают различный угол падения солнечных лучей и соответственно различия в поступлении тепла на земную поверхность в разные сезоны года, а также неодинаковую продолжительность дня и ночи в течение года на всех широтах, кроме экватора, где день и ночь всегда равны 12 ч.
22 июня земная ось северным концом обращена к Солнцу. В этот день – день летнего солнцестояния – солнечные лучи в полдень отвесно падают на параллель 23,5° с. ш. – это Северный тропик (греч. tropikas – круг поворота). Все параллели севернее экватора до 66,5° с. ш. большую часть суток освещены – на этих широтах день длиннее ночи. Севернее 66,5° с. ш. в день летнего солнцестояния территория полностью освещена Солнцем – там полярный день. Параллель 66,5° с. ш. является границей, с которой начинается полярный день,– это Северный полярный круг. В этот же день на всех параллелях южнее экватора до 66,5° ю. ш. день короче ночи. Южнее 66,5° ю. ш. территория не освещена совсем – там полярная ночь. Параллель 66,5° ю. ш. – Южный полярный круг. 22 июня – начало астрономического лета в северном полушарии и астрономической зимы в южном полушарии.
22 декабря земная ось южным концом обращена к Солнцу. В этот день – день зимнего солнцестояния – солнечные лучи в полдень отвесно падают на параллель 23,5° ю. ш. – Южный тропик. На всех параллелях южнее экватора до 66,5° ю. ш. день длиннее ночи. Начиная с Южного полярного круга устанавливается полярный день. В этот день на всех параллелях севернее экватора до 66,5° с. ш. день короче ночи. За Северным полярным кругом – полярная ночь. 22 декабря – начало астрономического лета в южном полушарии и астрономической зимы в северном полушарии.
21 марта – в день весеннего равноденствия – и 23 сентября – в день осеннего равноденствия – терминатор проходит через оба полюса Земли и делит все параллели пополам. Северное и южное полушария з эти дни освещены одинаково, день всюду на Земле равен ночи. Солнце в полдень находится в зените над экватором. На Земле 21 марта и 23 сентября – начало астрономической весны и астрономической осени в соответствующих полушариях.
Со сменой времен года связана сезонная ритмичность в природе. Она проявляется в изменении температуры, влажности воздуха и других метеорологических показателей, в режиме водоемов, в жизни растений, животных и т. д.
Литература.
- Любушкина С.Г. Общее землеведение: Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по спец. "География" / С.Г. Любушкина, К.В. пашканг, А.В. Чернов; Под ред. А.В. Чернова. - М. : Просвещение, 2004. - 288 с.