Что мы знаем об орбите Земли
Орбита Земли — путь, по которому небесное тело движется вокруг Солнца. Впервые наличие орбиты доказал Николай Коперник. До его открытия считалось, что наша планета неподвижна в космическом пространстве.
Как открыли земную орбиту
В античные времена Птолемей, Аристотель и их последователи считали модель построения Вселенной геоцентрической. Согласно ей, в центре располагалась Земля, а все космические тела вращались вокруг планеты. Впервые сомневаться в этом начал древнегреческий ученый Аристарх Самосский. Наблюдая в III в. до н. э. лунное затмение, он сделал вывод, что Луна не является самостоятельным светилом, а только отражает солнечный свет, и она меньше Солнца по диаметру во много раз. И будет странным, что такой большой небесный объект, как наша звезда, вращается вокруг маленькой Земли.
Окончательно геоцентрическая теория была развенчана в 1534 г. польским астрономом Н. Коперником, автором гелиоцентрического учения, доказавшим, что Солнце обращаться вокруг Земли не может.
Первым, кто доказал эллиптическую форму орбиты нашей планеты, был немецкий ученый И. Кеплер. Наблюдая за движением Земли и Марса, он понял, что планеты периодически замедляются, а затем снова ускоряются, что было бы невозможно, будь орбита круговой.
Расстояние от Солнца до Земли
Этот параметр зависит от точки нахождения нашей планеты в пространстве. Расстояние равно:
- в перигелии (ближайшей точке к Солнцу) — 147,1 млн км;
- в афелии (самой удаленной от светила позиции, называемой также апогелием) — 152,1 млн км.
Эта мера была принята еще в Средние века, но поначалу не имела никакого численного значения — все линейные расстояния выражались в условной дистанции между Землей и Солнцем. Только в 1672 г. европейский ученый Дж. Кассини впервые оценил орбитальный радиус Земли в 140 млн км. Это значение было уточнено только советскими астрономами в 1961 г. Полученное ими значение — 149,5993 млн км с погрешностью +/- 2000 км.
Расстояние до светила не влияет на смену сезонов, которая зависит лишь от осевого наклона тела.
Точку перигелия наша планета проходит в промежутке с 2 до 5 января каждого года. И хотя солнечного тепла на поверхность планеты в этот период попадает больше, в северном полушарии в это время длится зима. В афелии Земля оказывается между 3 и 7 июля, минимум света и тепла от центральной звезды не мешает продолжаться лету во всех регионах севернее экватора.
Траектория движения планеты вокруг Солнца.
Credit: wikiwand.com.
Форма траектории движения Земли по орбите
Орбита Земли выглядит более круглой, чем траектории движения большинства планет нашей системы, но это не идеальный круг: вокруг солнца мы движемся по слегка вытянутому эллипсу.
Основная характеристика орбит — эксцентриситет Е, коэффициент их сжатости. Его значение лежит в интервале от 0 (идеальный круг) до 1 (максимально узкий эллипс, вытянутый почти в прямую линию). Для Земли величина Е невелика, всего 0,017. После Венеры с эксцентриситетом 0,007 и Нептуна (Е=0,011) земной результат — третий в Солнечной системе среди объектов планетарного типа.
Незначительное изменение орбитального диаметра нашей планеты играет важную роль в обеспечении возникновения и развития жизни здесь: так поддерживаются стабильные значения средней земной температуры. Для сравнения — эксцентриситет Меркурия составляет 0,2, что вызывает экстремальную смену температуры в течение дня и ночи. Меркурианская орбита — самая вытянутая в нашей системе.
Длина земной орбиты оценивается в 930-940 млн км.
Скорость движения нашей планеты
Движение Земли по орбите осуществляется со средней скоростью около 30 км/с. Любое тело, согласно законам физики, будет двигаться по эллиптической орбите неравномерно: быстрее в перигелии (наша планета в этой точке ускоряется до 30,2 км/с) и медленнее в афелии (земное значение — 29,2 км/с).
На 1 полный оборот вокруг Солнца планета тратит 365,24 суток. Для удобства расчетов этот период принят равным 365 дней, но каждые 4 года земной календарь корректируется — в него вводится 1 дополнительный день.
Плоскость орбиты
Точки любой орбиты всегда лежат в одной плоскости. Для Земли такая космическая «поверхность» называется эклиптикой, все остальные планеты системы движутся в плоскостях, близких к нашей.
Центральное светило тоже вращается вокруг своей оси, в том же направлении, что и все соседние планетарные объекты. Это косвенное доказательство того, что оно и все остальные тела системы образовались из единого газопылевого протооблака. Но одному явлению объяснение до сих пор не найдено: Солнце вращается с существенным отклонением от эклиптики. Не исключено, что в непосредственной близости от нас существуют крупные неоткрытые планеты, чье гравитационное воздействие так влияет на нашу звезду.
Эклиптика участвует в оценке наклона оси небесного тела. Для нас он составляет 23°, что является причиной неравномерного годового нагрева южного и северного полушарий, когда Земля находится на разных участках орбиты и смены времен года.
Отклонение орбиты от идеальной формы
И. Кеплер вывел несколько законов, описывающих принципы движения небесных тел, и поводов сомневаться в них ученым XVII в. не было. Но с повышением точности измерений начали обнаруживаться отклонения от кеплеровского учения. Немецкий астроном построил свою модель на 2 упрощениях:
- вес любой планеты принимался пренебрежимо малым относительно веса Солнца;
- было учтено только взаимное гравитационное влияние светила и планеты, а воздействие соседних небесных тел не принималось во внимание.
Сегодня ученые при вычислении орбитальных характеристик учитывают еще один важный фактор. Они принимают во внимание, что не только планета вращается вокруг светила, но и связка «небесное тело — звезда» выполняет собственное вращение вокруг барицентра — условной точки в космосе, центра масс. В силу значимости солнечных габаритов барицентр нашей системы находится внутри Солнца, и он несколько меняет свое расположение.
Такая цикличность наблюдается на планете уже миллионы лет. Она стала причиной множества глобальных катаклизмов, например, ледниковых периодов.
Вместе с расстоянием до Солнца постоянно изменяется эксцентриситет нашей орбиты. Его величина в разные годы отличалась от сегодняшней и составляла от 0,05 до 0,005.
Насколько устойчива орбита Земли
Согласно кеплеровским законам, планеты Солнечной системы и местные непланетарные объекты способны вращаться вокруг своего светила бесконечно долго. На практике возможны случаи, когда небесные тела покидают орбиту и улетают в космическое пространство либо притягиваются Солнцем и погибают, врезавшись в него.
Предсказать аналитическим путем это невозможно, но и компьютерное моделирование не дает точного представления о будущей судьбе нашей системы. Самым нестабильным выглядит Меркурий — он может упасть на звезду либо начать критически удаляться от нее до момента столкновения с Венерой или нашей планетой. Прогнозы для Земли более благоприятны. Даже через миллиарды лет она все еще будет оставаться на своей орбите.
Источник
По какой орбите Земля движется вокруг Солнца?
Из школьного курса всем известно, что Земля вращается относительно Солнца. Орбита – это траектория движения нашей планеты вокруг звезды. Есть ли у неё какие-нибудь примечательные особенности?
Форма траектории
Долгое время астрономы полагали, что орбиты небесных тел – это окружности. Однако Иоганн Кеплер установил, что на самом деле планеты, в том числе Земля, двигаются по эллиптической траектории, причем Солнце находится в одном из фокусов этого эллипса.
У эллипса, который выглядит как сплюснутая окружность, есть такой параметр, как эксцентриситет. Он определяет, насколько близка его форма к окружности. Эксцентриситет может принимать значение от нуля до единицы. Если он равен нулю, то орбита становится идеальным кругом, в центре которого расположена звезда. Земной эксцентриситет равен 0,0167, то есть наша орбита очень близка к круговой.
Точка, в которой небесное тело максимально удалено от своего светила, называется апоцентром, а ближайшая точка именуется перицентром. Применительно к планетам Солнечной системы также используются термины афелий и перигелий. Когда Земля находится в афелий, расстояние от неё до Солнца составляет 152 млн км, а в перигелий оно сокращается до 147 млн км.
Столь незначительное изменение радиуса земной орбиты очень важно для жизни на планете, так как оно позволяет поддерживать стабильное значение средней температуры на ней. Для сравнения – радиус орбиты Меркурия меняется от 46 до 70 млн км, что соответствует значению эксцентриситета 0,2.
Расстояние от Земли до Солнца
Средний радиус земной орбиты, равный 150 млн км, принят за одну астрономическую единицу – единицу измерения расстояний в космическом пространстве. Исторически ее удобно было использовать при описании Солнечной системы.
Дело в том, что определить относительные расстояния в ней (например, вычислить, что радиус венерианской орбиты в 1,4 раза меньше радиуса земной), значительно проще, чем рассчитать абсолютные. Поэтому астрономы приняли расстояние между Землей и Солнцем за условную единицу и через нее выражали все остальные линейные размеры в нашей планетной системе. Лишь в 1672 году с помощью измерения параллакса Марса итальянцу Джованни Кассини удалось впервые оценить радиус земной орбиты в 140 млн км.
Более точное значение астрономической единицы удалось получить методом радиолокации Венеры советским астрономам в 1961 году. Они получили значение 149 599 300±2000 км.
Скорость движения Земли
Общая протяженность орбиты нашей планеты составляет 940 млн км, которые Земля преодолевает за 365,25 дня, именно поэтому каждый четвертый год делают високосным, добавляя к нему 29 февраля. При этом небесные тела движутся по орбите с неравномерной скоростью. Быстрее всего планеты движутся в перицентре, а медленней всего в апоцентре. Земля оказывается в афелие 3 июля и замедляется в этот день до 29,2 км/с. 3 января наша планета достигает перигелия, разгоняясь да 30,2 км/с.
Плоскость орбиты
Орбита каждого небесного тела – это плоская фигура, то есть все ее точки лежат в одной плоскости. Плоскость земной орбиты называется эклиптикой. Интересно, что орбиты всех известных нам планет Солнечной системы почти лежат в эклиптике. Ось вращения Земли вокруг собственной оси наклонена под углом 23° к эклиптике, следствием этого наклона является неравномерный нагрев Северного и Южного полушария на разных участках орбиты, из-за чего возникает сезонность погоды. Когда выше экватора лето, ниже него – зима, и наоборот.
Солнце также вращается вокруг собственной оси, причем все планеты вращаются в ту же сторону, что и светило. Это является косвенным доказательством того, что когда-то вещество, из которого состоят все планеты и наша звезда, было единым газопылевым облаком, от которого отделился строительный материал для планет. Однако есть одна аномалия, объяснение которой до сих пор не найдено. Дело в том, что само Солнце вращается не в эклиптике, а с отклонением от неё на шесть градусов. Астрономы предполагают, что это может служить косвенным доказательством того, что в нашей системе есть ещё неоткрытые планеты, которые также двигаются не в эклиптике, и своим гравитационным воздействием раскачивают ось вращения Солнца.
Отклонение орбиты от идеальной формы
Идея Кеплера о том, что орбиты небесных тел – это эллипсы, очень хорошо описывала поведение планет с точки зрения наблюдателей XVII века, однако с повышением точности измерений стали обнаруживаться отклонения от законов Кеплера. Дело в том, что предложенная немецким астрономом математическая модель была построена на двух упрощениях:
- масса планеты пренебрежимо мала относительно массы звезды;
- учитывается только взаимное влияние сил тяжести двух тел, звезды и планеты, а влияние третьих тел (других планет) не учитывается.
Естественно, в реальности всё сложнее. На самом деле правильнее считать, что не Земля вращается вокруг Солнца, а оба объекта вращаются относительно общего центра масс, который называется барицентром. Но в силу огромной массы звезды барицентр находится внутри неё.
Точные астрономические измерения показывают, что в наше время расстояние между Землей и Солнцем медленно увеличивается со скоростью 15 см в год. Однако это не значит, что наша планета будет постоянно удаляться от светила, периоды удаления могут чередоваться с периодами сближения.
Например, астроном Милутин Миланкович обнаружил, что эксцентриситет земной орбиты не постоянен, а циклически изменяется. Длительность таких циклов составляет около 100 тысяч лет, в течение которых эксцентриситет меняется от 0,005 до 0,05. Именно эти колебания являются причиной ледниковых периодов.
Устойчива ли орбита Земли?
По законам Кеплера планеты могут вращаться вокруг звезды бесконечно долго, однако из-за отклонений от этих законов возможен вариант и неустойчивости, когда планеты покидают свою орбиту или, наоборот, падают на светило. Аналитически рассчитать это невозможно, поэтому приходиться применять компьютерное моделирование.
Проведенные расчеты не позволяют однозначно предсказать судьбу планет Солнечной системы. В некоторых моделях Меркурий либо падает на Солнце, либо сталкивается с Венерой или Землей. Также он может спровоцировать столкновение других планет. Но произойдет это через миллиарды лет.
Источник
Форма, размеры и геодезия планеты Земля
Земля, со средним расстоянием 149 597 890 км от Солнца, является третьей и одной из самых уникальных планет в Солнечной системе. Она сформировался около 4,5-4,6 миллиарда лет назад и является единственной планетой, которая, как известно, поддерживает жизнь. Это связано с рядом факторов, например, атмосферный состав и физические свойства, такие как присутствие воды, занимающей около 70,8% поверхности планеты, позволяют жизни процветать.
Земля также уникальна тем, что она является самой большой из планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), состоящих из тонкого слоя горных пород, в сравнении с газовыми гигантами (Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран). С учетом массы, плотности и диаметра, Земля является пятой по величине планетой во всей Солнечной системе.
Размер земли: масса, объем, окружность и диаметр
Как крупнейшая из планет земной группы, Земля имеет оценочную массу 5.9722±0.0006×10 24 кг. Ее объем также является самым большим из этих планет и составляет 1.08321×10¹² км³.
Кроме того, наша планета наиболее плотная из планет земной группы, так как состоит из коры, мантии и ядра. Земная кора является самым тонким из этих слоев, в то время как мантия составляет 84% объема Земли и простирается на 2900 км ниже поверхности. Ядро является той составляющей, которая делает Землю самой плотной. Это единственная планета земной группы с жидким внешним ядром, окружающим твердое, плотное внутреннее ядро.
Средняя плотность Земли составляет 5,514×10 г/см³. Марс, самая маленькая из землеподобных планет Солнечной системы, имеет лишь около 70% от плотности Земли.
Земля, также классифицируется как самая большая из планет земной группы по окружности и диаметру. Экваториальная окружность Земли составляет 40 075,16 км. Она немного меньше между Северным и Южным полюсами — 40 008 км. Диаметр Земли у полюсов составляет 12 713,5 км, а на экваторе — 12 756,1 км. Для сравнения, самая большая планета в Солнечной системе, Юпитер, имеет диаметр 142 984 км.
Форма Земли
Окружность и диаметр Земли различаются, потому что ее форма представляет сплющенный сфероид или эллипсоид вместо истинной сферы. Полюса планеты немного сплющиваются, что приводит к выпуклости на экваторе и, следовательно, к большей окружности и диаметру.
Экваториальная выпуклость Земли составляет 42,72 км и вызвана вращением и гравитацией планеты. Сама гравитация заставляет планеты и другие небесные тела сжиматься и формировать сферу. Это связано с тем, что она тянет всю массу объекта как можно ближе к центру тяжести (земное ядро в данном случае).
Поскольку планета вращается, то сфера искажается центробежной силой. Это сила, которая заставляет объекты перемещаться наружу от центра тяжести. Когда Земля вращается, наибольшая центробежная сила на экваторе, поэтому она вызывает небольшую наружную выпуклость, придавая этой области большую окружность и диаметр.
Местная топография также играет роль в форме Земли, но в глобальном масштабе она незначительная. Наибольшее различия в местной топографии по всему миру — это гора Эверест, высочайшая точка над уровнем моря — 8 848 м и Марианская впадина, самая низкая точка ниже уровня моря — 10 994±40 м. Эта разница составляет всего лишь около 19 км, что очень незначительно в планетарных масштабах. Если рассматривать экваториальную выпуклость, то высшая точка мира и место, наиболее отдаленное от центра Земли — это вершина вулкана Чимборасо в Эквадоре, который является самым высоким пиком вблизи экватора. Его высота составляет 6 267 м.
Геодезия
Для правильного изучения размеров и формы Земли используется геодезия, отрасль науки, ответственная за измерение размера и формы Земли с помощью обследований и математических расчетов.
На протяжении всей истории, геодезия была важной отраслью науки, так как ранние ученые и философы пытались определить форму Земли. Аристотель — первый человек, которому приписывают попытку рассчитать размер Земли и, следовательно, ранний геодезист. Затем последовал греческий философ Эратосфен, оценивший окружность Земли в 40 233 км, что лишь немного больше принятого в наши дни измерения.
Чтобы исследовать Землю и использовать геодезию, исследователи часто ссылаются на эллипсоид, геоид и референц-эллипсоид. Эллипсоид является теоретической математической моделью, которая показывает гладкое, упрощенное представление о поверхности Земли. Он используется для измерения расстояний на поверхности без учета таких факторов, как изменения высоты и формы рельефа. С учетом реальности земной поверхности, геодезисты используют геоид — модель планеты, которая строится с помощью глобального среднего уровня моря и, следовательно, принимает во внимание перепады высот.
Основой геодезии на сегодняшний день являются данные, которые выступают в качестве ориентиров для глобальных геодезических работ. Сегодня такие технологии, как спутники и глобальные системы позиционирования (GPS), позволяют геодезистам и другим ученым делать чрезвычайно точные измерения поверхности Земли. На самом деле они настолько точны, что позволяют получать данные о поверхности Земли с точностью до сантиметров, обеспечивая наиболее точные измерения размера и формы Земли.
Источник