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
Орбита Земли вокруг Солнца
Орбитой Земли называют траекторию её вращения вокруг Солнца, её форма — эллипс, она размещена в среднем на расстоянии 150 миллионов километров от Солнца (максимальное удаленное расстояние называют афелием — 152 миллиона км, минимальное — перигелием, 147 миллионов км).
Полный оборот вокруг Солнца длиной в 940 миллионов км Земля, двигаясь с запада на восток со средней скоростью 108000 км/ч, совершает за 365 суток 6 часов 9 минут и 9 секунд или за один звездный год.
Движение планеты по орбите вокруг Солнца и угол наклона оси вращения к плоскости, где движутся небесные тела, напрямую влияют на смену времен года и неравенство дня и ночи.
Особенности вращения Земли вокруг Солнца
(Строение Солнечной системы)
В античную эпоху ученые астрономы считали, что Земля располагается в центре Вселенной и все небесные тела вращаются вокруг неё, эта теория носила название геоцентрической. Её развенчал польский астроном Николай Коперник в 1534 году, создавший гелиоцентрическую модель мира, доказывавшую, что Солнце не может вращаться вокруг Земли, как бы это не хотелось Птолемею, Аристотелю и их последователям.
Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической траектории, называемой орбитой, её длина около 940 миллионов км и это расстояние планета проходит за 365 суток 6 часов 9 минут и 9 секунд. По прошествию четырех лет эти шесть часов накопляются в сутки, они добавляются к году как еще один день (29 февраля), такой год високосный.
(Перигелий и афелий)
В период движения по заданной траектории расстояние от Земли до Солнца может быть максимальным (данное явление происходит 3 июля и носит название афелий или апогелий) – 152 милл. км или минимальным – 147 милл. км (имеет место 3 января, называют перигелием), но не это является, как ошибочно можно предположить, следствием смены сезонов.
Смена времен года
Вследствие наклона земной оси к плоскости её орбиты вокруг Солнца в 66,5º, земная поверхность получает неодинаковое количество тепла и света, что становится причиной смены времен года и изменения продолжительности дневного и ночного времени суток.
Примечание:
- Угол наклона земной оси от оси эклиптики = 23,44º градуса (наклон оси вращения Земли)
- Угол наклона земной оси к плоскости её орбиты вокруг Солнца = 66,56º градусов (определяет климатические изменения сезонов в течение года)
Экваториальные дни и ночи всегда одинаково продолжительны, они длятся 12 часов.
Скорость Земли, движущейся по орбите
Оборот вокруг Солнца Земли: 365 суток 6 часов 9 минут и 9 секунд
Средняя скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца: 30 км/с или 108 000 км/час (это 1/10000 часть скорости света)
Для сравнения диаметр нашей планеты составляет 12700 км, с этой скоростью можно покрыть данное расстояние за 7 минут, а расстояние от Земли до Луны (384 тыс. км) за четыре часа. Удаляясь от Солнца в период афелия скорость движения Земли замедляется до 29,3 км/с, в период перигелия ускоряется до 30,3 км/с.
Весеннее и осеннее равноденствия
- 20 марта — весенне равноденствие
- 22 сентября — осеннее равноденствие
- 21 июня летнее солнцестояние
- 22 декабря — зимнее солнцестояние
Места, где плоскость небесного экватора пересекается плоскостью эклиптики, обозначаются точками весеннего (20 марта) и осеннего равноденствия (22 сентября), дни и ночи одинаково продолжительны, и участки полушарий, обращенные к Солнцу, равномерно освещены и согреты, лучи Солнца падают на линию экватора под углом 90º. По датам весеннего и осеннего равноденствия отсчитывают астрономическое начало весны и осени в соответствующих полушариях.
Еще выделяют точки летнего (21 июня) и зимнего (22 декабря) солнцестояния, лучи Солнца становятся перпендикулярными не линии экватора, а Южному и Северному тропику (южная и северная параллель 23,5º). В день летнего солнцестояния 21 июня в Северном полушарии до 66,5 параллели день длиннее ночи, в Южном полушарии – ночь длиннее дня, эта дата — астрономическое начало лета в северных широтах и зимы в южных.
22 декабря (день зимнего солнцестояния) в Южном полушарии до 66,5 параллели продолжительность дня больше, в Северном севернее до той же параллели – меньше. Дата зимнего солнцестояния – астрономическое начало зимы в Северном полушарии и начало лета в Южном.
Источник
Интересные факты о Земле и ее орбите
На Земле проходит четыре времени года по мере того, как она совершает один оборот вокруг Солнца, все это происходит наряду с увеличением и с уменьшением продолжительности светового дня в течение шести месяцев, которые случаются между зимним и летним солнцестоянием.
Мы также живем в 24-часовом суточном цикле, за который Земля обращается вокруг своей оси, более того, существует 28-дневный цикл вращения Луны вокруг Земли. Эти циклы повторяются бесконечно. Тем не менее, многие тонкости скрыты внутри и вокруг этих циклов, о которых большинство людей не знают, не могут объяснить или просто не замечают.
10. Высшая точка
Факт: Солнце не обязательно достигает своей самой высокой точки в полдень.
В зависимости от времени года нахождение Солнца в высшей точке варьируется. Это происходит по двум причинам: орбита Земли представляет собой эллипс, а не круг, а Земля, в свою очередь, наклонена к Солнцу. Так как Земля почти всегда вращается с одинаковой скоростью, а ее орбита в определенные времена года быстрее других, то иногда наша планета либо обгоняет, либо отстает от своей круговой орбиты.
Изменения, связанные с наклоном Земли, лучше всего рассматривать, представляя точки, расположенные близко друг к другу на экваторе Земли. Если вы наклоните состоящий из точек круг на 23,44 градуса (текущее значение наклона Земли), то вы увидите, что все точки, кроме тех, которые расположены сейчас на экваторе и тропиках, изменят свою долготу. Существуют также изменения во времени нахождения Солнца в своей самой высокой точке, они связаны также с географической долготой, в которой находится наблюдатель, однако, данный фактор является постоянным для каждой долготы.
9. Направление восхода
Факт: Восход и закат не меняют своего направления сразу после солнцестояния.
Большинство людей полагают, что в северном полушарии самый ранний закат происходит в период декабрьского солнцестояния, а самый поздний закат происходит во время июньского солнцестояния. На самом деле это не так. Солнцестояние – это просто даты, которые говорят о продолжительности самого короткого и самого длинного светового дня. Однако, изменения во времени в период полдня тянет за собой изменения в периодах восхода и заката солнца.
Во время декабрьского солнцестояния полдень наступает с опозданием на 30 секунд ежедневно. Так как в продолжительности светового дня не происходит никаких изменений во время солнцестояния, как закат, так и рассвет ежедневно опаздывают на 30 секунд. Поскольку закат опаздывает в период зимнего солнцестояния, самый ранний закат уже успевает «случиться». При этом, в этот же день восход солнца тоже приходит с опозданием, самого позднего восхода приходиться ждать.
Бывает и так, что самый поздний закат происходит спустя короткое время после летнего солнцестояния, а самый ранний восход случается незадолго до летнего солнцестояния. Тем не менее, эта разница не столь значительна по сравнению с декабрьским солнцестоянием, потому что изменение времени полдня из-за эксцентриситета в этом солнцестоянии зависит от изменений полдня из-за наклона, но общая скорость изменений носит положительную динамику.
8. Эллиптическая орбита Земли
Большинство людей знают, что Земля вращается вокруг Солнца по эллипсу, а не по кругу, но значение эксцентриситета орбиты Земли равно примерно 1/60. Планета, которая вращается вокруг своего солнца, всегда имеет эксцентриситет между 0 и 1 (учитывая 0, но без учета 1). Эксцентриситет равный 0 говорит о том, что орбита представляет собой идеальный круг с солнцем в центре и с планетой, которая вращается с постоянной скоростью.
Тем не менее, существование такой орбиты крайне маловероятно, поскольку есть континуум возможных значений эксцентриситета, который по замкнутой орбите измеряется путем деления расстояния между солнцем и центром эллипса. Орбита становится длиннее и тоньше по мере того, как эксцентриситет приближается к 1. Планета всегда вращается быстрее по мере приближения к Солнцу, и замедляется по мере отдаления от него. Когда эксцентриситет больше или равен 1, то планета один раз обходит свое солнце и навсегда улетает в космос.
7. Колебания Земли
Земля периодически проходит через колебания. Это объясняется главным образом воздействием гравитационных сил, которые «растягивают» экваториальную выпуклость Земли. Солнце и Луна также оказывают давление на эту выпуклость, создавая тем самым колебания Земли. Тем не менее, для повседневных астрономических наблюдений эти эффекты пренебрежимо малы.
Наклон Земли и ее долгота обладают периодом 18,6 лет, это время, необходимое Луне, чтобы сделать круг, проходящий через узлы и создающий колебания сроком от двух недель до шести месяцев. Продолжительность зависит от земной орбиты вокруг Солнца и от лунной орбиты вокруг Земли.
6. Плоская Земля
Факт (своего рода): Земля действительно плоская.
Католики из эпохи Галилея были, возможно, лишь совсем немного правы, полагая, что Земля плоская. Так получилось, что Земля обладает почти шаровидной формой, но она слегка приплюснута у полюсов. Экваториальный радиус Земли составляет 6378,14 километра, при этом ее полярный радиус равен 6356,75 км. Следовательно, геологам пришлось придумывать различные версии широты.
Геоцентрическая широта измеряется по зрительной широте, то есть это угол по отношению экватора к центру Земли. Географическая широта – это широта с точки зрения наблюдателя, а именно это угол, состоящий из линии экватора и прямой линией, проходящей под ногами человека. Географическая широта является стандартом для построения карт и определения координат. Тем не менее, измерение угла между Землей и Солнцем (как далеко на север или на юг светит Солнце на Землю в зависимости от времени года) всегда происходит в геоцентрической системе.
5. Прецессия
Земная ось заостряется к вершине. Кроме того, эллипс, формирующий земную орбиту, вращается очень медленно, делая форму движения Земли вокруг Солнца очень похожей на ромашку.
В связи с обоими типами прецессии, астрономы выявили три типа лет: звездный год (365, 256 дней), который обладает одной орбитой относительно далеких звезд; аномалистический год (365,259 дней), который представляет собой период времени, в течение которого Земля передвигается от ближайшей точки (перигелии) к самой дальней точке от Солнца (афелии) и обратно; тропический год (365, 242 дня), продолжительностью от одного дня весеннего равноденствия до другого.
4. Циклы Миланковича
Астроном Милютин Миланкович обнаружил в начале 20 века, что наклон Земли, эксцентриситет и прецессии не являются постоянными величинами. За период около 41000 лет Земля совершает один цикл, во время которого она наклоняется от 24,2 – 24,5 градусов до 22,1 – 22,6 градусов и обратно. В настоящее время наклон оси Земли уменьшается, и мы находимся ровно на полпути к минимальному наклону в 22,6 градуса, который достигнется примерно через 12000 лет. Эксцентриситет Земли проходит по гораздо более беспорядочному циклу, продолжительностью 100000 лет, за этот период он колеблется в пределах 0,005 – 0,05.
Как уже говорилось, в настоящее время его показатель – 1/60 или 0,0166, но сейчас он идет на снижение. Минимального показателя он достигнет через 28000 лет. Он предположил, что эти циклы и вызывают ледниковый период. Когда величины наклона и эксцентриситета особенно высоки, а прецессии таковы, что Земля наклонена от Солнца, либо к Солнцу, то в итоге мы имеем слишком холодную зиму в западном полушарии, при этом, весной или летом тает слишком большое количество льда.
3. Замедление вращения
Из-за трения, вызванного приливами и бродячими частицами в пространстве, скорость вращения Земли постепенно замедляется. По оценкам, с каждым веком Земле требуется на пять сотых секунды дольше, чтобы повернуть один раз. В начале формирования Земли, день длился не более 14 часов вместо сегодняшних 24. Замедление вращения Земли и является причиной того, почему каждые несколько лет мы добавляем долю секунды к продолжительности суток.
Однако время, когда наша 24-часовая система перестанет быть актуальной настолько далеко, что практически никто не выдвигает предположений о том, что мы будем делать с появившимся лишним временем. Некоторые полагают, что мы могли бы к каждому дню добавить определенный период времени, что в конечном итоге сможет дать нам 25-часовой день, или же изменить продолжительность часа, разделив сутки на 24 равные части.
2. Луна отдаляется
Каждый год Луна отходит от своей земной орбиты на 4 сантиметра. Это связано с приливами, которые она «приносит» на Землю.
Гравитация Луны, воздействующая на Землю, искажает земную кору на несколько сантиметров. Так как Луна вращается намного быстрее, чем ее орбиты, выпуклости тянут Луну за собой и вытягивают ее из орбит.
1. Сезонность
Солнцестояние и равноденствие являются символами начала соответствующих сезонов, а не их серединой. Все потому, что Земле необходимо время для того, чтобы нагреться или охладиться. Таким образом, сезонность отличается соответствующей длиной дневного света. Этот эффект называется сезонной задержкой и варьируется в зависимости от географического положения наблюдателя. Чем дальше человек путешествует от полюсов, тем тенденция отставания меньше.
Во многих североамериканских городах отставание, как правило, около месяца, в результате чего самая холодная погода наступает 21 января, а самая теплая 21 июля. Тем не менее, люди, которые живут в таких широтах, получают удовольствие и в конце августа от теплых летних деньков, надевая легкую одежду и даже выходя на пляж. При этом эта же дата на «другой стороне» летнего солнцестояния, будет соответствовать примерно 10 апрелю. Многие люди останутся лишь в предвосхищении лета.
Источник