Какие процессы являются следствием осевого вращения Земли
Все планеты движутся во Вселенной. Эти движения обусловлены разными физическими воздействиями на космические тела и имеют сложную природу. Земля также совершает множество движений, которые можно проанализировать и разложить на разные составляющие.
Эти движения можно классифицировать в масштабах:
- Вселенной,
- Галактики,
- Солнечной системы,
- общего с Луной центра масс,
- Земли.
Галактика, в которой находится Солнечная система, называется Млечный путь. Учёные предполагают, что эта галактика вращается вокруг центра Вселенной вместе с другими галактиками. Вокруг центра Млечного пути вращается Солнечная система со всеми объектами, в том числе с Землёй, и этот путь она совершает за один галактический год, который составляет примерно 230 миллионов лет.
При переходе на ещё меньший масштаб, обнаружится, что наша планета совершает путь вокруг Солнца. Кроме того, Земля вместе с Луной вращаются вокруг их общего центра масс, который находится не в центре земного шара, а близко к его поверхности. Из-за этого наша планета по орбите движется по слегка спиралевидному пути, если наблюдать со стороны, а не с Земли. Все эти виды движений незаметны или малозаметны для землян.
Скорость вращения
Можно сказать, что вращение тела обладает двумя скоростями, в зависимости от того, какой системой измерений пользоваться:
Если измерять скорость вращения как расстояние, которое проходит точка за определённое время, то чем дальше точка расположена от воображаемой оси вращения, тем выше у неё будет скорость. И чем точка ближе к оси, тем ниже её скорость. Эта скорость называется линейной. В точках оси — скорость равна нулю.
Но если скорость вращения измерять в градусах, то любая точка на поверхности тела или внутри него будет двигаться с одинаковой скоростью, независимо от того, далеко она расположена от оси или близко. Скорость вращения, измеряемая в градусах, называется угловой.
Можно измерять скорость вращения Земли с помощью наблюдения за перемещением двух предметов на поверхности, находящихся на одном меридиане, но в разных широтах. Допустим, предмет, А будет на экваторе, а предмет Б — в северной широте. Вследствие этого обнаружится, что предмет, А относительно оси планеты проделал расстояние за единицу времени большее, чем предмет Б. Это значит, что предмет, А двигался быстрее предмета Б.
Но если измерять угловую скорость в градусах по одним и тем же предметам или меткам, то угловая скорость у них будет одинаковой, так как они повернутся относительно оси планеты на один и тот же угол за определённый отрезок времени. Для исследования многих природных явлений, таких как, например, сила Кориолиса, необходимо использовать линейный способ измерения скорости вращения.
У Земли максимальной линейной скоростью вращения будет обладать поверхность в районе экватора, и эта скорость составляет 465 м/с или 1674 км/час. Чем ближе точка на поверхности земного шара к любому из полюсов, тем ниже будет скорость. На полюсах линейная скорость вращения равна нулю, так как эти точки находятся на воображаемой оси.
Смена времени суток
Самым заметным для жителей Земли обстоятельством и основным географическим следствием осевого вращения нашей планеты является смена времён суток, а для землян, живущих на определённом расстоянии от экватора — ещё и времён года.
День и ночь сменяются потому, что параллельные лучи света от Солнца одновременно падают только на одну сторону планеты. Противоположная сторона Земли находится в тени. Это значит, что на повёрнутой к светилу стороне будет день, а на обратной — ночь. Если бы земной шар постоянно был повёрнут только одной стороной к Солнцу, то на освещённой стороне была бы температура около +100° C, вся вода должна была бы испариться, а на тёмной стороне поверхность планеты была бы под слоем льда. Условия на обеих сторонах Земли в этом случае были бы непригодны для жизни.
Вследствие ритмичности смены дня и ночи, времён года, а, значит, световых и температурных режимов, на Земле всё живое подчиняется определённым биоритмам. При этом ритмическим изменениям подвержены не только все растения и животные, но и неживая природа.
Земля вращается по своей оси против часовой стрелки, если смотреть со стороны Полярной звезды, а именно — с северной стороны. А если точка наблюдения — со стороны экватора, когда Северный полюс вверху, то планета вращается слева направо или с запада на восток.
В связи с вращением Земли вокруг оси, используется понятие суток. Но сутки бывают разными:
- звёздными,
- солнечными,
- средними солнечными.
Звёздные сутки используются для астрономических исследований и наблюдений. Солнечные сутки — это период вращения Земли вокруг своей оси относительно Солнца. Они могут отличаться по продолжительности, поэтому для измерения времени в повседневной жизни используются средние солнечные сутки, которые длятся 24 средних солнечных часа и длиннее звёздных суток на 4 минуты.
Часовые пояса
С развитием коммуникаций между разными частями света, для удобства и безопасности были придуманы часовые пояса. Больше всего такая унификация была востребована с целью исключения путаницы и аварий на железной дороге.
Точное измерение времени с помощью часовых поясов стали использовать в 19-м веке. Первым, кому эта идея пришла в голову, был английский доктор Уильям Хайд Волластон. Земную поверхность условно разбили на 24 сектора, перпендикулярных экватору, каждый из которых составляет 15 градусов, а все вместе они определяют суточный цикл. Каждому поясу присвоено своё время (с разницей от соседнего в один час). При этом, чем западнее расположен пояс, тем больше отстаёт время.
При несовпадении границ часового пояса с государственными или административными очертаниями, их для удобства подстраивают под местность. Поэтому границы часовых поясов не всегда прямые. Их отсчёт начинается с нулевого, расположенного на Гринвичском меридиане. Этот пояс указывает всемирное время.
Смена времён года
Ось Земли относительно плоскости орбиты, по которой планета движется вокруг Солнца, находится не перпендикулярно, а под углом. Из-за этого на поверхность планеты в разных её участках попадает неравномерное количество тепла от Солнца.
Когда Земля находится на орбите по одну сторону от Солнца, она наклонена осью так, что обращена к светилу Северным полюсом, но, переместившись по орбите на противоположную сторону от Солнца, планета будет наклонена Южным полюсом. Это означает, что, в первом случае, лето будет в Северном полушарии, а в Южном — зима. Во втором случае, в Северном полушарии будет зима, а в Южном — лето. В промежуточных положениях Земли на орбите на её полушариях будут осень и весна.
Если бы ось Земли была перпендикулярна плоскости её орбиты, то времён года не было бы, так как Северное и Южное полушария всегда получали бы днём одинаковую порцию света и тепла.
Отклонение падающих тел
Все объекты, находящиеся на поверхности Земли, двигаются вместе с ней на одинаковой линейной скорости, вызванной вращением планеты вокруг своей оси. Чем дальше от оси будет предмет, двигающийся вместе с планетой, тем выше будет его скорость. Чем выше над поверхностью объект, тем с большей линейной скоростью он движется вместе с Землёй вокруг её оси.
Предметы, брошенные с большой высоты, изначально двигаются вместе с Землёй и падают на землю, слегка сместившись на восток. Это происходит по причине инерции, которую сохраняет брошенный с высоты предмет. Он сохраняет скорость, которая у него была на высоте. Эта скорость всегда выше, чем на поверхности Земли. Во время падения эта скорость, направленная на восток, перпендикулярна скорости падения.
В итоге предмет падает не вертикально, а чуть восточнее. На полюсах этого эффекта не будет, по причине отсутствия линейной скорости движения. Самолёт или другой летательный аппарат не годятся для проведения такого опыта, так как они не жёстко связаны с поверхностью земли и двигаются с ней не синхронно. Для этого лучше подойдут вышка или высокое здание.
Маятник Фуко
Этот эксперимент — простейший и наглядный тест на осевое вращение Земли.
По закону физики, плоскость траектории качающегося маятника находится всегда в одном положении по отношению к Мировому пространству. Но, если проследить за маятником в течение суток, станет очевидно, что направления его качаний постоянно меняются. Это происходит по причине вращения планеты вокруг собственной оси.
Этот маятник впервые использовал в своём эксперименте французский учёный Жан Фуко, в честь которого и был назван инструмент.
Сжатие Земли с полюсов
Во время вращения возникает центробежная сила, что не представляет исключения в случае с планетами. Таким образом, под действием центробежной силы, действующей перпендикулярно оси особенно сильно в районе экватора, наша планета в течение долгого времени приобрела форму эллипсоида (шара, сплюснутого с полюсов).
Влияние гравитации Луны
Естественный спутник Земли оказывает влияние не только на земную поверхность, но и на слои, пролегающие под ней. Это происходит под действием силы тяготения или гравитации. Больше всего гравитация Луны видна на поверхности Мирового океана. Земная вода притягивается спутником и образует волну, которая следует за Луной. Спутник движется вокруг Земли в противоположном направлении вращению нашей планеты по оси. И, так как вращение земного шара вокруг оси быстрее движения спутника вокруг Земли, приливная волна движется не с востока на запад, как движется Луна, а с запада на восток.
Эта противоположность движений способствует постепенному замедлению вращения обоих небесных тел. Луна всегда расположена по отношению к Земле одной стороной. Учёные утверждают, что в далёком будущем это же произойдёт и с нашей планетой, то есть оба небесных тела будут направлены по отношению друг к другу одной из своих сторон и продолжат вращаться вокруг своего общего центра масс.
Сила Кориолиса
Тело, совершающее прямолинейное движение во вращающейся среде, отклоняется в сторону, относительно этой среды. Такая вращающаяся среда называется неинерциальной системой координат. Подобной системой является Земля. Если среда вращается по часовой стрелке, то тело, движущееся в данной системе, будет отклоняться влево, относительно среды. При вращении неинерциальной системы против часовой стрелки, тело отклоняется вправо.
На примере это будет выглядеть так: если из пушки, которая находится на Северном полюсе, выстрелить ядром в направлении экватора, то для наблюдателя, находящегося на Земле, ядро начнёт постепенно отклоняться вправо. Это происходит потому, что планета двигается, вращаясь вокруг оси, и, пока ядро летит, она успевает повернуться. Если наблюдатель находится не на Земле, то есть не движется вместе с ней, то движение ядра будет прямолинейным.
В Южном полушарии подобное отклонение движущихся тел будет происходить влево, так как, если смотреть со стороны Южного полюса, планета вращается вокруг оси по часовой стрелке.
Этот эффект называется силой Кориолиса. Он назван по имени французского учёного, открывшего феномен. Примечательно то, что этот принцип действует при любом направлении тела по земной поверхности. Если стрельнуть ядром из пушки, стоящей на экваторе, в сторону Северного полюса, то снаряд для наблюдателя, находящегося на Земле, будет отклоняться вправо, точно так же, как при обратном направлении, то есть при стрельбе с Северного полюса на экватор.
При стрельбе с экватора на Южный полюс, снаряд отклонится влево, как при стрельбе с Южного полюса на экватор. Этот эффект наблюдается, благодаря инерции ядра, направленной в сторону вращения планеты. В начале движения снаряд находился на экваторе (в земной точке с самой высокой скоростью, возникающей вследствие осевого вращения). По мере движения ядра к полюсу, оно пролетает над точками земной поверхности, которые движутся медленнее экватора, а, значит, и бокового движения ядра, сохраняющегося из-за инерции. Таким образом, ядро постепенно «обгоняет» земную поверхность в боковом направлении и отклоняется в сторону.
Сила Кориолиса всегда действует перпендикулярно движению предмета. Эта сила действует не только на тела, движущиеся по направлению меридианов, но и в любых других направлениях, независимо от того, в какую сторону происходит движение.
Силу Кориолиса не совсем корректно называть силой, так как она, на самом деле, сама по себе никуда никого не тянет. Этот эффект строго относителен и существует только в неинерциальной системе.
А вот последствия этого эффекта вполне ощутимы. Например, вследствие силы Кориолиса, на планете образуются циклоны. Воздух из зон высокого давления стремится в области с низким давлением и сила Кориолиса отклоняет воздушные массы относительно движущейся поверхности вправо или влево, в зависимости от полушария. Поэтому циклоны закручиваются против часовой стрелки в Северном полушарии, а в Южном — по часовой.
Сила Кориолиса действует на реки и их русла. В Северном полушарии обычно правые берега рек более крутые и подмыты водой, которая утягивается вращающейся планетой вправо, в Южном — наоборот, левые.
На железнодорожные рельсы также оказывает воздействие данная сила. Правые рельсы одноколейных дорог в Северном полушарии будут изнашиваться больше, так как поезд утягивает вправо. В Южном полушарии больше изнашиваются левые рельсы.
Таковы общие следствия вращения нашей планеты вокруг оси, которые, в свою очередь, влияют на огромное количество обстоятельств и событий как на Земле, так и вокруг неё. Аналогичная тема раскрывается в учебнике по географии «Осевое вращение земли» 5 класс.
Источник