Почему ночью бывает темно: вращение Земли вокруг своей оси и Солнца. С какой скоростью мы движемся сквозь вселенную

Земля всегда находится в движении. Хотя кажется, что мы стоим неподвижно на поверхности планеты, она беспрерывно вращается вокруг своей оси и Солнца. Это движение не чувствуется нами, так как оно напоминает полет в самолете. Мы движемся с той же скоростью, что и самолет, поэтому не ощущаем, что движемся вообще.

С какой скоростью Земля вращается вокруг своей оси?

Земля делает один оборот вокруг своей оси почти за 24 часа (если быть точными, то за 23ч 56мин 4,09сек или 23,93 часа) . Поскольку окружность Земли на составляет 40075 км, то любой объект на экваторе вращается со скоростью приблизительно 1674 км в час или примерно 465 метров (0,465 км) в секунду (40075 км делим на 23,93 часа и получаем 1674 км в час) .

На (90 градусах северной широты) и (90 градусах южной широты), скорость фактически равна нулю, потому что точки полюсов вращаются на очень медленной скорости.

Для того чтобы определить скорость на любой другой широте, просто умножьте косинус широты на скорость вращения планеты на экваторе (1674 км в час). Косинус 45 градусов равен 0,7071, таким образом, умножаем 0,7071 на 1674 км в час и получаем 1183,7 км в час .

Косинус необходимой широты легко определить с помощью калькулятора или посмотреть в таблице косинусов.

Скорость вращения Земли для других широт:

• 10 градусов: 0.9848×1674=1648,6 км в час;
• 20 градусов: 0.9397×1674=1573,1 км в час;
• 30 градусов: 0.866×1674=1449,7 км в час;
• 40 градусов: 0.766×1674=1282,3 км в час;
• 50 градусов: 0.6428×1674=1076,0 км в час;
• 60 градусов: 0.5×1674=837,0 км в час;
• 70 градусов: 0.342×1674=572,5 км в час;
• 80 градусов: 0.1736×1674=290,6 км в час.

Циклическое торможение

Все циклично, даже скорость вращения нашей планеты, которую геофизики могут измерить с точностью до миллисекунд. Вращение Земли, как правило, имеет пятилетние циклы замедления и ускорения, и последний год цикла замедления часто взаимосвязан со всплеском землетрясений по всему миру.

Так как 2018 год является последним в цикле замедление, ученые ожидают в этом году рост сейсмической активности. Корреляция не является причинно-следственной связью, но геологи всегда ищут инструменты, чтобы попытаться предсказать, когда произойдет очередное мощное землетрясение.

Колебания земной оси

Земля при вращении совершает небольшие колебания, поскольку ее ось дрейфует на полюсах. Было замечено, что дрейф земной оси ускорился с 2000 года, двигаясь со скоростью 17 см в год на восток. Ученые установили, что ось по-прежнему движется на восток вместо того, чтобы двигаться вперед и назад из-за комбинированного эффекта таяния Гренландии и , а также потери воды в Евразии.

Дрейф оси, как предполагается, особенно чувствителен к изменениям, происходящим на 45 градусах северной и южной широты. Это открытие привело к тому, что ученые наконец смогли ответить на давний вопрос о том, почему ось вообще дрейфует. Колебание оси на Восток или Запад было вызвано сухими или влажными годами в Евразии.

На протяжении очень долгого времени люди думали, что наша планета имеет сплющенную форму и лежит на 3-х китах. Человек не в силах заметить ее вращение, находясь на ней самой. Причина этому в размерах. Они имеют огромное значение! Размеры человека слишком ничтожны по отношению к размерам земного шара. Время шло вперед, наука прогрессировала, а вместе с ней и представления людей о собственной планете.

К чему же мы пришли сегодня? Правда ли то, что а не наоборот? Какие еще астрономические познания в этой области имеют силу? Обо всем по порядку.

По своей оси

Сегодня нам известно, что принимает одновременное участие в двух видах своего движения: Земля вращается вокруг Солнца и по собственной воображаемой оси. Да, именно оси! У нашей планеты есть воображаемая линия, которая «пронзает» поверхность земли в двух ее полюсах. Проведите мысленно ось в небо, и она пройдет рядом с Полярной звездой. Именно поэтому эта точка всегда кажется нам неподвижной, а небо как будто бы вращается. Мы-то думаем, что движутся с востока на запад, однако отметим, что это нам только кажется! Такое движение - видимое, поскольку это отражение настоящего обращения планеты - по оси.

Суточное вращение длится ровно 24 часа. Другими словами, за одни сутки земной шар выполняет один полноценный круг по собственной оси. Каждая из земных точек сначала проходит освещенную сторону, затем - темную. А через сутки все опять повторяется.

Для нас это выглядит как постоянная смена дней и ночей: утро - день - вечер - утро… Если бы планета таким образом не вращалась, то на стороне, обращенной к свету, был бы вечный день, а на противоположной - вечная ночь. Какой ужас! Хорошо, что это не так! В общем, с суточным вращением мы разобрались. Теперь давайте узнаем, сколько раз Земля вращается вокруг Солнца.

Солнечный «хоровод»

Этого мы также не заметим невооруженным взглядом. Однако сие явление можно почувствовать. Все мы прекрасно знаем, теплые и холодные времена года. Но что общего между ними и движениями планеты? Да все у них общее! Земля вращается вокруг Солнца за триста шестьдесят пять суток или за один год. Кроме этого, наш земной шар - участник и других движений. Например, вместе с Солнцем и своими «коллегами»-планетами Земля движется относительно собственной галактики - Млечного Пути, в свою очередь, движущейся относительно своих «коллег» - других галактик.

Важно знать, что во всей Вселенной ничего неподвижного не бывает, все течет и изменяется! Отметим, что видимое нами движение небесного светила - это всего лишь отражение вращающейся планеты.

А верна ли теория?

Сегодня многие люди стараются доказать обратное: они считают, что не Земля вращается вокруг Солнца, а напротив, небесное светило вокруг земного шара. Некоторые ученые говорят о совместном движении Земли и Солнца, которое происходит относительно друг друга. Возможно, когда-то мировые ученые умы перевернут «с ног на голову» все известные сегодня научные представления о космосе! Итак, все точки над «и» расставлены, и мы с вами узнали, что вокруг Солнца (со скоростью, кстати, примерно 30 километров в секунду), причем полный оборот она делает за 365 суток (или 1 год), вместе с тем по своей оси наша планета оборачивается за сутки (24 часа).

Солнечные пятна видимым образом перемещаются по солнечному диску от восточного края к западному. Это перемещение Галилей в 1610 г. правильно понял как выражение осевого вращения Солнца, направленного так же, как вращение Земли. Пятна, особенно крупные, существуют долго, и поэтому можно наблюдать их повторное появление на обращенной к Земле стороне Солнца, а фиксируя более точно их положение на солнечном диске, можно легко и точно установить синодический период вращения Солнца S. Он будет отличаться от звездного периода вращения Р, так как мы наблюдаем вращение Солн вокруг оси с движущейся Земли. Период обращения Земли Е составляет 1 год. Три величины - S, Р и Е - связаны очевидной формулой

из которой легко получить период Р вращения Солнца вокруг своей оси относительно звезд.

Исследование движений пятен позволило установить, с одной стороны, положение в мировом пространстве оси вращения и экватора Солнца, а с другой, - показало, что пятна, помимо общего монотонного перемещения по диску Солнца, имеют еще собственные перемещения по нему.

Вместе с тем оказалось, что период возвращения пятен в то же положение на диске Солнца закономерно изменяется с гелиографической широтой (т. е. с положением пятна относительно солнечного экватора): экваториальные области Солнца вращаются всего быстрее, а по мере удаления от экватора вращение замедляется. Проследить это экваториальное ускорение вращения Солнца по пятнам удается лишь в поясе от +40° до -40° гелиографической широты, так как на более высоких широтах пятна почти не встречаются.

Весьма обстоятельное определение элементов вращения Солнца сделал более 100 лет назад Кэррингтон. Он нашел следующее положение экватора Солнца:

долгота восходящего узла солнечного экватора относительно эклиптики

наклон солнечного экватора к эклиптике

Земля пересекает плоскость солнечного экватора в начале июня и в начале декабря. В это время пути видимого перемещения пятен по диску Солнца прямолинейны. В остальное время они криволинейны. Первую половину года к Земле обращен южный полюс Солнца, а вторую - северный.

Для расчета гелиографических долгот служит, по предложению Кэррингтона, тот нулевой меридиан, который проходил через центр солнечного диска в гринвичский полдень 1 января 1854 г. (юлианская дата JD 2 398 220,0). В дальнейшем этот же меридиан проходит центр солнечного диска через каждые 27,2753 суток, на основании чего идет счет солнечных оборотов (так, например, 1954, дек. 21,63 начался 1355-й оборот Солнца). Приведенное выше значение есть синодический период S вращения Солнца на средней широте пятен (около 16°). Ему соответствует по формуле (1.1) звездный период вращения Солнца . Отсюда получается угловая скорость вращения Солнца на гелиографической широте за сутки. На других гелиографических широтах угловая скорость

Это одна из многих эмпирических формул, выводимых по наблюдениям тысяч пятен.

Большое количество пятен в данном случае необходимо, чтобы уничтожить влияние эффекта собственных перемещений пятен по поверхности Солнца. С меньшей точностью определяется вращение Солнца по факелам. Одно из таких определений дало формулу

Описанными средствами изучается вращение Солнца вблизи его экватора. Для того чтобы проследить солнечное вращение на более высоких широтах, эффективно применяется метод определения лучевых скоростей противоположных точек солнечного диска, лежащих на одной широте.

Для этого получают спектрограммы того и другого края солнечного диска одновременно, одну под другой, для чего диск Солнца проектируют на длинную щель спектрографа, и призмами, установленными перед щелью, переносят изображения противоположных точек диска в середину щели на ось спектрографа (призмы расположены подобно зеркалам в перископе и, в частности, в перископическом интерферометре; см. КПА 461). При достаточно большой дисперсии, например 0,5 А/мм, линии солнечного спектра, принадлежащие восточному и западному краям Солнца, будут заметным образом смещены друг оносительно друга; величина этого смещения даст (по формуле эффекта Доплера) удвоенную скорость вращения Солнца на соответствующей гелиографической широте. В конце прошлого и начале нынешнего столетия были проведены многочисленные и обширные ряды наблюдений (Дунер, Хальм, Белопольский, Адамс и др.), позволяющие проследить вращение Солнца до гелиографической широты 75°. По последним определениям оно подчиняется формуле вида (1.2) или (1.3), но с существенно иным значением вращения на экваторе, а именно:

Из формулы (1.4) получается скорость вращения экватора Солнца 1,93 км/с, тогда как по формуле (1.2) эта же величина получается равной 2,03 км/с.

Можно думать, что такие расхождения реальны и связаны с различием уровней, на которых существуют пятна или зарождаются спектральные линии. Кроме того, на протяжении десятилетий значение первого члена в формуле (1.4) сильно меняется: так, в начале нашего столетия экваториальная скорость вращения Солнца определялась как 2,06 и даже 2,08 км/с, но ввиду множества обстоятельств, осложняющих наблюдения и обработку, говорить о реальном изменении скорости вращения Солнца было бы неосторожно, тем более, что самые последние измерения опять дают среднее значение скорости вращения Солнца на экваторе 2,06 км/с. Для характеристики изменения вращения Солнца с широтой формула (1.4) заслуживает полного доверия. В частности, из нее следует, что на широте 75° период вращения Солнца достигает 32 земных суток.

Все изложенные факты - экваториальное ускорение вращения Солнца и разная скорость вращения его на разных уровнях - указывают на то, что Солнце вращается не как твердое тело. Это вполне соответствует нашему представлению о его газовой природе.

Основные параметры Марса, определяющие влияние на многие свойства этой планеты зародились во время возникновения Солнечной системы. К ним относятся масса, наклон оси вращения, период и форма орбиты. Успешное изучение этих характеристик лежит в основе проекта по Марса и поиску жизни на этой планете.

Орбита Марса. Причины вращения

Движение по орбите обусловлено влиянием солнечных сил притяжения. Чем массивнее объект, тем выше его гравитационное воздействие на другие объекты в пространстве. Солнце обладает наибольшей массой в Солнечной системе. Его масса составляет 1,98892х1030 килограммов. Благодаря этим характеристикам Солнце имеет гораздо большую силу притяжения, чем Земля и Марс вместе. В последнее время все чаще можно встретить утверждение, что Марс и остальные планеты вращаются вокруг центра масс солнечной системы. И это не является ошибкой, так как ученые установили, что центр масс нашей системы находится практически в центре Солнца.

Из-за воздействия силы притяжения звезды, Марс вытягивает на орбиту вокруг Солнца. Но почему тогда он вращается и не падает на Солнце? Чтобы найти ответ, рассмотрим пример. К длинной веревочке с одной стороны привязан шар, а другой её конец зафиксирован в руке. Если раскрутить этот шар, он будет вращаться вокруг руки, но при этом не сможет отдалиться дальше, чем позволит длина веревки. Марс движется по тому же принципу, сила притяжения Солнца не отпускает его и заставляет двигаться по орбите, а центробежная сила, которая появляется при круговом движении, стремится вытолкнуть планету за пределы траектории его движения. На этом хрупком равновесии между силами и основывается принцип движения Марса в пространстве.

Период Марса вокруг Солнца в два раза длиннее земного. Полный оборот вокруг Солнца он совершает за 687 земных суток. Или 1,88, если измерять в земных годах. Однако это измерение отражает изменение положения планеты относительно звёзд и называется сидерический период вращения.

Можно так же рассчитать период обращения вокруг Солнца относительно Земли — это называется синодический период вращения. Он представляет собой промежуток между соединениями планеты в конкретной точке неба, обычно эта точка — Солнце. Синодический период красной планеты равен – 2,135.

Движение Марса. Основные параметры

Характеристики движения Марса по орбите и вокруг своей оси имеют много общего с земными. Однако, осевое движение Марса более хаотично и нестабильно, чем движение Земли. Во время движения марсианская ось может хаотично и непредсказуемо наклоняться, это объясняется отсутствием у него такого же массивного спутника, как Луна, который силой притяжения регулировал и стабилизировал бы движение планеты. Его спутники, Фобос и Деймос, ничтожно малы, их влияние на скорость вращения незначительно и не принимается во внимание в расчетах.

Характеристики марсианской орбиты

Марс движется вокруг Солнца по круговой орбите, которая не является окружностью, а представляет собой сложную эллиптическую фигуру. Орбита Марса отдалена от солнца на полтора раза больше, чем земная. Она имеет эллиптическую форму, которая образовалась под влиянием на нее сил притяжения других планет Солнечной системы. Ученые установили, что 1,35 миллиона лет назад его орбита представляла собой почти ровную окружность. Эксцентриситет марсианской орбиты (характеристика, которая показывает, насколько орбита отклоняется от окружности) равен 0,0934. Его орбита вторая в системе по эксцентричности, на первом месте Меркурий. Для сравнения эксцентриситет орбиты Земли равен 0,017.

При нахождении планеты в ближайшей к Солнцу точке — перигелии, радиус орбиты составляет 206,7 миллиона километров, при нахождении на максимальном расстоянии от Солнца – афелии, радиус увеличивается до 249,2 миллиона километров. Из-за разницы расстояний меняется количество поступающей на планету солнечной энергии, она составляет 20-30%, поэтому на Марсе наблюдается широкий разброс температур.

Одна из основных характеристик – это орбитальная скорость. Средняя скорость вращения вокруг Солнца равна 24,13 км/с.

Марс от Солнца на большее расстояние, чем Земля, поэтому радиус марсианской орбиты так же отличается в большую сторону. Мы уже выяснили, что марсианская траектория движения представляет собой вытянутый эллипс, поэтому её радиус не является постоянной величиной, среднее расстояние до Солнца равно 228 миллиона километров.

Каждый 26 месяцев Земля догоняет Марс по орбите. Это происходит из-за разницы в скорости движения планет (земная — 30 километров в секунду) и меньшего диаметра орбиты. В это время расстояние между планетами минимально, потому удобнее всего планировать космические миссии по изучению планеты в этот период. Это снижает затраты топлива и времени на , 6-8 месяцев, по космическим меркам это не так уж много.

Осевое вращение

Марс не ограничивается движением только по орбите, он также совершает вращение вокруг своей оси. Скорость экваториального вращения равняется 868,22 км/ч, для сравнения, на Земле она равняется 1674,4 км/час. Сутки на красной планете длятся 24 часа, если вас интересуют средние солнечный день, или 24 часа, 56 минут и 4 секунды, если принимать в расчёт сидерический день. Получается, что красная планета вращается только на 40 минут медленнее Земли.

Вращение обеспечивает на планете не только смену дня и ночи, оно также меняет форму планеты под влиянием центробежной силы, сплющивая ее с полюсов на 0,3%. Изменение формы не так заметно из-за высокой плотности планеты.

Наклон марсианской оси вращения равен 25,19°, земной – 23,5°. Смена марсианских зимне-весенних происходит благодаря наклону оси вращения и эксцентриситету орбиты. Смена зимнего и летнего сезонов на Марсе происходит в противофазе, то есть, когда в одном полушарии наступает летний период, в другом неизменно начинаются зимние холода. Но из-за формы орбиты, длительность сезонов здесь может растягиваться, а, может, уменьшаться. Так в северном полушарии лето и весна длятся 371 сол. Они наступают, когда Марс находится на участке орбиты, максимально удаленном от Солнца. Потому марсианское лето на севере долгое, но прохладное, а на юге — короткое и тёплое. На Земле времена года распределяются равномернее, так как земная орбита близка к идеальной окружности по форме. Стоит заметить, что Марс вращается вокруг оси хаотичнее, чем планеты с более массивными спутниками, что может в любой момент повлиять на длительность зимне-весенних сезонов.

Solar Dynamics Observatory, главная космическая солнечная лаборатория NASA, вот уж три года не отводит свой пристальный глаз от солнца. Не выходя из дома, в пасмурный день или даже ночью, мы можем узнать, что происходило на Солнце последние три года.

Первое, что бросается в глаза, когда смотришь на эти наблюдения - это солнечное вращение.

Уже давно из наблюдений солнечных пятен, известно, что поверхность Солнца вращается не как твердое тело, а дифференциально. То есть экватор вращается быстрее чем полюса.

Точки близ солнечного экватора, например солнечные пятна, вращается с периодом 25 дней, в то время как области у полюсов, например приполярные корональные дыры, вращаются с периодом 36 дней. Причина такого вращения - сохранение углового момента.

Когда солнце только только начало сжиматься, т.е. аккрецировать, из большого газового облака под действивем силы гравитации, оно подобно вращающемуся фигуристу, который прижав руки, начинает вращаться быстрее, сохранило свою способность вращаться. Если бы Солнце было твердым, то оно бы вращалось как твердое тело с одной угловой скоростью, но так как Солнце - это звезда, состоящая из плазмы, то разные ее участки вращаются по-разному, т.е. дифференциально.

А что происходит с этим вращением внутри Солнца? Вращается ли Солнце там с одной скоростью или нет?

Дело в том, мы не можем просто так взять и заглянуть внутрь Солнца. Весь видимый солнечный свет приходит к нам с поверхности Солнца, фотосферы. Фотосфера поглощает все фотоны, идущие из нижележащей конвективной зоны. Единственная возможность узнать, что происходит внутри солнца, так это наблюдая солнечные нейтрино. Но, увы, нейтрино не взаимодействуют с веществом, поэтому о движении внутри солнца они нам ничего рассказать не могут.

Структура солнца. Все излучение приходит с фотосферы. Внутрь конвективной зоны и зону лучистого переноса мы заглянуть не можем.

Несмотря на это ограничение, солнечные физики придумали другой способ получения информации о конвективной зоне с помощью звуковых волн. Этот метод сейчас выделился в отдельный раздел солнечной физики, гелиосейсмологию.

Принцип гелиосейсмологии тот же что и в обычной земной сейсмологии.
Если наблюдать за поверхностью солнца в течение длительного времени, то оказывается, что солнечная фотосфера, подобно гигантскому колоколу, колеблется на миллионах различных частот. Т.е. Солнце поет не фальцетом, а с миллионами обертонов. Частоты этих колебаний говорят о структуре и движении вещества, через которые эти колебания проходят. Например, если эти колебания проходят через движущуюся плазму, то частота колебаний смещается из-за эффекта Допплера .

Из гелиосейсмологии выяснилось, что солнце вращается дифференциально не только на поверхности, но и внутри, в конвективной зоне. Еще глубже, в зоне лучистого переноса (см. Первую и вторую картинки), оно вращается твердотельно, т.е. с одной скоростью.

Карта вращения под поверхностью солнца - являются одним из самых больших последних достижений солнечной физики. Горизонтальная ось соответствует экватору, а вертикальная - вертикальной оси вращения солнца. В красных участках солнце вращается c периодом вращение в 25.2 дней, а в синих - с периодом 34 дня.

Узкий участок, обозначенный пунктиром, где дифференциальное вращение сменяется твердотельным называется тахоклиной. Находится она на между конфективной зоной и зоной лучистого переноса.

Несмотря на то, что тахоклина простирается всего на несколько процентов от радиуса солнца, она играет большую роль в жизни Солнца. Именно здесь появляются солнечные пятна, которые со временем в ходе сложного процесса всплывают на поверхность солнца.

Если вы зайдете на сайт solarmonitor.org , который показывает как выглядит солнце на различных длинах волн прямо сегодня, то вы заметите, что солнечные пятна вращаются вместе со всем Солнцем слева направо. Некоторые пятна живут по несколько недель, в то время, как другие по несколько солнечных циклов. Так как солнечные вспышки, оказывающие влияние на наши самолеты, спутники и линии электропередач, обычно случаются в солнечных пятнах и их интенсивность пропорциональна размеру, точнее магнитному потоку пятна, военные организации отслеживают движение крупных солнечных пятен по поверхности солнца.