"Астрономия (базовый уровень)", Левитан Е.П.
Земля — планета, форма которой близка к шару, но отличается сплюснутостью у полюсов и неровностями рельефа. Её размеры, масса и плотность помогают сравнивать Землю с другими небесными телами. Осевое вращение объясняет смену дня и ночи, а обращение вокруг Солнца вместе с наклоном оси — смену времён года и различия продолжительности дня. Эти сведения нужны для понимания координат, времени, календаря и климата.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Геоид — реальная форма Земли, близкая к шару, но немного сплюснутая у полюсов и осложнённая рельефом. Поэтому при расчётах Землю часто приближённо считают шаром, а при точных измерениях учитывают отклонения от этой модели. Понятие нужно, чтобы не путать удобную математическую модель с настоящей формой планеты.
Осевое вращение — вращение Земли вокруг воображаемой оси, проходящей через Северный и Южный полюса. Один оборот относительно Солнца примерно соответствует одним солнечным суткам. Это обозначение помогает отделить суточное вращение от движения Земли по орбите.
Географическая широта — угловое расстояние точки от экватора к северу или югу. Её отсчитывают от 0° на экваторе до 90° у полюсов и обозначают φ. Широта нужна для описания положения места и расчёта, например, линейной скорости вращения.
Тропический год — промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Он длится примерно 365,2422 суток, поэтому календарный год приходится согласовывать с дробной частью суток. Этот период связан со сменой времён года.
Шарообразность Земли подтверждают наблюдения за горизонтом: при удалении корабль постепенно скрывается за его нижней частью, а не исчезает целиком. Во время лунных затмений тень Земли на Луне всегда имеет округлый край, что естественно для шара. Однако измерения радиусов в разных направлениях показывают, что полярный радиус немного меньше экваториального: вращение вызывает сплюснутость, а рельеф добавляет неровности.
Если принять Землю за шар, её размер задаётся радиусом R, диаметром d = 2R и длиной экватора L = 2πR. При R ≈ 6400 км диаметр составляет около 12 800 км, а экватор — примерно 40 000 км. Масса M показывает количество вещества и влияет на силу притяжения, а средняя плотность ρ = M/V характеризует, насколько плотным в среднем является всё земное вещество.
Осевое вращение приводит к тому, что разные участки Земли поочерёдно обращены к Солнцу и освещены или находятся в тени. Поэтому происходит смена дня и ночи, а Солнце и звёзды кажутся перемещающимися по небу с востока на запад. Местное время различается, потому что Земля поворачивается на 360° примерно за 24 часа, то есть за каждый час — приблизительно на 15°.
Ось Земли наклонена к перпендикуляру к плоскости орбиты примерно на 23,5°. При движении по орбите этот наклон сохраняет почти одно направление в пространстве, поэтому в разные месяцы к Солнцу оказывается обращено то Северное, то Южное полушарие. Наклонённое к Солнцу полушарие получает более высокие лучи и имеет более длинный день, а противоположное — низкие лучи и короткий день.
Сезоны определяются главным образом наклоном оси, а не расстоянием до Солнца. Когда Северное полушарие наклонено к Солнцу, там лето, хотя в этот период Земля не обязана быть ближе к Солнцу, чем зимой. Высота Солнца над горизонтом и продолжительность освещения меняют количество энергии, получаемой поверхностью, поэтому и возникают сезонные различия.
| Характеристика | Обозначение | Приблизительное значение | Что характеризует |
|---|---|---|---|
| Средний радиус | R | 6,4·10³ км | Размер Земли |
| Масса | M | 5,97·10²⁴ кг | Количество вещества и силу притяжения |
| Средняя плотность | ρ | 5,5·10³ кг/м³ | Среднюю плотность вещества Земли |
| Период осевого вращения | T | около 24 ч | Продолжительность солнечных суток |
| Наклон оси к перпендикуляру к плоскости орбиты | ε | около 23,5° | Причину сезонных изменений |
| Период обращения вокруг Солнца | Tгод | около 365,25 суток | Продолжительность года |
В таблице собраны величины, с помощью которых описывают размер, состав и движения Земли. Символы позволяют кратко записывать формулы и условия задач. При вычислениях нужно следить за единицами: например, радиус в километрах нельзя без преобразования подставлять в формулу, где скорость должна получиться в километрах в час.
Задача 1. Определить длину экватора Земли, если её средний радиус равен 6400 км. Землю в этой задаче принимаем за шар, поэтому экватор считаем окружностью. Требуется найти её длину.
Ответ: длина экватора примерно равна 40 200 км в принятой модели.
Задача 2. Найти линейную скорость точки на экваторе и на широте 60°, считая период вращения Земли равным 24 часам. На экваторе точка проходит за оборот длину 2πR, а на широте 60° — длину меньшей параллели. Поэтому скорости будут различаться.
Ответ: на экваторе скорость около 1675 км/ч, на широте 60° — около 840 км/ч.
Задача 3. Объяснить, почему в июне в Северном полушарии день длиннее ночи, а в Южном наблюдается обратная картина. Нужно связать результат не с расстоянием до Солнца, а с наклоном оси и положением Земли на орбите. При этом освещённая половина Земли не меняется по размеру, но граница света проходит по поверхности под другим углом.
Ответ: различие продолжительности дня вызвано наклоном земной оси при обращении Земли вокруг Солнца.
Считать Землю идеальным шаром. Так делают из-за удобства школьной модели, но у Земли различаются экваториальный и полярный радиусы, а поверхность имеет рельеф. Проверка проста: уточните, идёт ли речь о приближённом расчёте или о точном описании геоида.
Путать вращение вокруг оси с обращением вокруг Солнца. Ошибка возникает потому, что оба движения повторяются периодически. Сверяйте результат: сутки связаны с осевым вращением, а год — с орбитальным обращением.
Объяснять времена года расстоянием до Солнца. Такое объяснение кажется очевидным, но не учитывает противоположность сезонов в полушариях. Проверьте себя вопросом: если бы расстояние было причиной, почему в июне в Северном полушарии лето, а в Южном зима?
Считать линейную скорость одинаковой на всех широтах. У всех точек почти одинаковый период, но окружность параллели уменьшается к полюсам. Используйте формулу vφ = vэкв cos φ: при увеличении широты скорость должна уменьшаться.
Для понимания темы нужны радиус, длина окружности, угол, период и средняя скорость. Эти понятия позволяют вычислять размеры Земли и скорость её вращения. Без них трудно правильно читать таблицы и решать задачи.
Тема опирается на знания о Солнечной системе, эклиптике и видимом суточном движении небесных тел. Наклон оси рассматривают относительно плоскости земной орбиты. Поэтому астрономическая модель связывает наблюдения на небе с движением Земли.
Полученные знания пригодятся при изучении часовых поясов, календаря и географических координат. Наклон оси и освещённость поверхности важны для объяснения климата. Размеры и вращение Земли также учитывают при изучении движения искусственных спутников.
Почему Землю называют геоидом, а не просто шаром?
Земля не является идеальным шаром: она немного сплюснута у полюсов и имеет неровности рельефа. Поэтому её реальную, близкую к шарообразной форму называют геоидом.
Почему на экваторе скорость вращения Земли больше, чем у полюсов?
За одни сутки точки Земли совершают полный оборот, но длина окружности параллели на экваторе максимальна. У полюсов радиус параллели стремится к нулю, поэтому линейная скорость там минимальна.
Чем осевое вращение отличается от обращения Земли вокруг Солнца?
Осевое вращение — поворот Земли вокруг собственной оси, который связан со сменой дня и ночи. Обращение — движение Земли по орбите вокруг Солнца, составляющее основу годового цикла.
Почему летом в Северном полушарии день длиннее ночи?
Летом Северное полушарие наклонено к Солнцу. Солнце дольше находится над горизонтом, а его лучи падают более прямо, поэтому день становится длиннее ночи.
Почему продолжительность календарного года не равна целому числу суток?
Земля совершает полный оборот вокруг Солнца примерно за 365,25 суток. Поэтому календарь обычно содержит 365 дней, а дополнительную четверть суток учитывают високосным годом.
VI. Основные сведения о Земле
