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
Траектория движения Земли
Наша планета пребывает в непрерывном движении. Земля крутится вокруг своей оси и одновременно перемещается вокруг Солнца. Один оборот вокруг оси Земля делает за одни звездные сутки, продолжительность которых отличается от астрономических суток на 3 минуты 56 секунд в меньшую сторону. При этом скорость движения нашей планеты на разных широтах различается. На полюсах она выше, чем на экваторе, что вызвано увеличением центробежной силы на плюсах.
Многие считают, что траектория движения Земли относительно центра Солнечной системы представляет собой круг. Но это неверное представление. На самом деле, траектория движения Земли является эллиптической. Среднее расстояние от нашей планеты до Солнца составляет 149 597 870 километров. Перигелий, или ближайшая к Солнцу часть орбиты, располагается на расстоянии около 147 000 000 км, афелий (наиболее далекая от светила точка орбиты) – на расстоянии около 152 000 000 км.
Исследования на тему движения Земли
Долгое время, официальной считалась геоцентрическая теория. Она гласит, что Солнце, а также все остальные небесные тела и светила движутся вокруг Земли. Первые противники этой теории появились уже в VI веке до нашей эры. Однако, их исследования не получили широкого распространения.
Первый серьезный труд, доказывающий движение Земли вокруг нашего светила, написал в XVI веке Николай Коперник. Его поддержали многие современники, среди которых были астрономы, физики, философы и богословы. Долгое время гелиоцентрическая (то есть, противоположная геоцентрической) теория отвергалась на официальном уровне. Основным ее противником была католическая церковь, представители которой считали, что заявление о вращении нашей планеты вокруг Солнца противоречит библейским канонам.
Как траектория движения Земли влияет на нашу жизнь
Постоянное изменение количества света и тепла, получаемого от Солнца, влечет за собой смену времен года. Земля делает оборот вокруг светила за 365,25 дней. При этом каждый день Солнце передвигается на 1 градус в день по отношению к звездам. Этот процесс можно легко наблюдать в любой точке Земли без каких-либо оптических приборов.
Солнце движется с запада на восток. И весной, к примеру, мы можем наблюдать, что солнце каждый день находится немного выше линии горизонта, чем накануне. В результате этого, на поверхность Земли в данной точке с каждым днем попадает все больше тепла. В результате, зима постепенно сменяется летом. Однако, в приполярной зоне есть участки, которые часть года вовсе не получают солнечного света, из-за чего там наступает так называемая полярная ночь. В другое же время Солнце, напротив, не опускается ниже линии горизонта. Это явление называют полярным днем.
Изменение продолжительности светового дня по мере перемещения Земли вокруг Солнца обусловлено тем, что ось нашей планеты наклонена по отношению к Солнцу. В те моменты, когда направление Солнца и направление земной оси находятся перпендикулярно друг другу, наступает равноденствие. В эти дни продолжительность светового дня равна продолжительности ночи.
В Северном полушарии дата весеннего равноденствия приходится на 21 марта, а осеннего равноденствия – на 22-23 сентября. Летнее солнцестояние наблюдают здесь 20-21 июня, зимнее солнцестояние – 21-22 декабря. Первая дата обозначает максимальную продолжительность светового дня в году, вторая – максимальную продолжительность ночи. После наступления зимнего солнцестояния день начинает прибавляться, после летнего – убывать.
В Южном полушарии, земная ось имеет прямо противоположный наклон, по сравнению с Северным. Поэтому и сезоны здесь полностью противоположны северным.
Источник