Вращение Земли

Вращение Земли

Вращение Земли

В очень древние времена люди не имели правильного представления о форме и размерах нашей планеты и о том, какое место она занимает в пространстве. Теперь мы знаем, что физическая поверхность Земли, представляющая сочетание суши и водных пространств, в геометрическом отношении имеет весьма сложную форму; ее нельзя представить ни одной из известных и математически изученных геометрических фигур. На поверхности Земли моря и океаны занимают около 71% , а суша - около 29%; самые же высокие горы и самые большие глубины океанов по сравнению с размерами всей земли ничтожно малы. Так, например, на глобусе диаметром 60 см гора Эверест высотой приблизительно 8840 м изобразиться всего лишь крупинкой в 0,25 мм. Поэтому за общую - теоретическую - форму Земли принимают тело, ограниченное поверхностью океанов, находящейся в спокойном состоянии мысленно продолженной под всеми материками. Эта поверхность называется геоидом (гео - по-гречески “земля”). В первом же приближении фигуру Земли считают эллипсоидом вращения (сфероидом) - поверхностью, образованной в результате вращения эллипса вокруг своей оси.

Размеры земного сфероида определялись неоднократно ,но наиболее фундаментальные из них были установлены в 1940г. советскими учеными Ф.Н. Красовским и А.А. Изотовым. В 1964г. решением Международного астрономического союза (МАС) для земного сфероида принято большая полуось, перпендикулярная малой оси и лежащая в плоскости земного экватора а=6378,16км, малая ось земного сфероида, совпадающая с осью вращения Земли в=6356,78км . Вращение Земли вокруг своей оси можно доказать разными способами.

В древние времена люди полагали, что Солнце, перемещаясь относительно звезд, обходит нашу планету по кругу в течение одного года, Земля же будто бы неподвижна и находится в центре Вселенной. Такая система получила название геоцентрической. Новый этап в развитии астрономии начинается с опубликования в 1543г. книги Н. Коперника “О вращении небесных тел”, в которой изложена гелиоцентрическая (Гелиос- “солнце”) система мира, отражающая действительное строение Солнечной системы. Согласно теории Н. Коперника центром мира является Солнце, вокруг которого движутся шарообразная Земля и все подобные ей планеты и притом в одном направлении, вращаясь каждая относительно одного из своих диаметров, и что только Луна вращается вокруг Земли, являясь его постоянным спутником, и вместе с последней движется вокруг Солнца, при этом примерно в одной и той же плоскости.

Для определения положения тех или иных светил на небесной сфере необходимо иметь “опорные” точки и линии. И здесь прежде всего используется отвесная линия, направление которой совпадает с направлением силы тяжести. Продолженная вверх и вниз эта линия пересекает небесную сферу в точках Z и Z’, называемых соответственно зенитом и надиром.

Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна линии ZZ’, называется математическим или истинным горизонтом. Диаметр РР’, вокруг которого вращается в своем видимом движении небесная сфера (это ее вращение является отражением вращения Земли), и называется осью мира: она пересекает поверхность небесной сферы в двух точках - северном Р и южном Р’ полюсах мира. Большой круг небесной сферы QLQ’F, плоскость которого перпендикулярна оси мира РР’, является небесным экватором; он делит небесную сферу на северное и южное полушария. Вращающаяся вокруг своей оси Земля движется вокруг Солнца по пути, лежащему в плоскости земной орбиты VLWF. Ее историческое название - плоскости эклиптики. По эклиптике происходит видимое годичное движение Солнца. К плоскости небесного экватора эклиптика наклонена под углом 23^27’~23,5^; она пересекает его в двух точках: в точке весеннего и точке осеннего равноденствий. В этих точках Солнце в своем видимом движении переходит соответственно из южного небесного полушария в северное ( 20 и 21 марта) и из северного полушария в южное (22 или 23 сентября).

Только в эти дни равноденствий (два раза в году) лучи Солнца падают на Землю под прямым углом к оси ее вращения и поэтому только два раза в году день и ночь длятся 12 часов (равноденствие), а все остальное время года или день короче ночи или наоборот. Причиной этого является то, что ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости эклиптики, а наклонена к ней под углом 66,5^.

Движение Луны вокруг Земли по ряду причин является весьма сложным. Если Землю принять за центр, то орбиту Луны в первом приближении можно считать эллипсом . Когда Луна находится в наибольшей близости к Земле в перигее, ее расстояние от поверхности Земли составляет 356 400км, в апогее это расстояние увеличивается до 406 700км. Среднее же ее расстояние от Земли равно 384 000км. Плоскость орбиты Луны наклонена под углом 5^09’; точки пересечения орбиты с эклиптикой называют узлами, а прямая, их соединяющая, - линией узлов. Линия узлов перемещается навстречу движению Луны, совершая полный оборот за 6793 суток, что составляет около 18,6 лет.

Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Луны через один и тот же узел называется драконическим месяцем; его продолжительность равна 27,21 средних солнечных суток. Поскольку линия узлов не остается на месте, Луна по истечении месяца не возвращается точно к своему первоначальному положению на орбите и каждое следующее обращение ее происходит по несколько иному пути. По отношению к звездам полный оборот Луна совершает за 27,32 средних солнечных суток. Этот промежуток времени называется сидерическим /звездным/ месяцем; по происшествии этого месяца Луна возвращается к одной и той же звезде. Обращаясь вокруг Земли, Луна занимает различные положения относительно Солнца, и поскольку она представляет собой темное тело и свети лишь благодаря отражаемым ею солнечным лучам, то при разных положениях Луны относительно Солнца мы видим ее в разных фазах: новолуние, полнолуние, первая четверть и последняя четверть. Период времени от новолуния до новолуния называют синодическим месяцем - около 29,5 солнечных суток. Периодическую смену фаз Луны люди и использовали как вторую меру времени (после суток - периода оборота Земли вокруг своей оси), а именно месяц.

В своем видимом суточном движении по небесной сфере любое небесное тело оказывается в высшей или низшей точке своего пути. Эти моменты называются кульминациями - соответственно верхней и нижней (про небесное тело говорят, что оно кульминирует). В момент кульминации светило пересекает небесный меридиан - большой круг небесной сферы ZPVQZ’P’WQ’, плоскость которого проходит через ось мира РР’ и отвесную линию.

Луна в течение месяца кульминирует в разные часы. В новолуние это происходит в 12 часов, в первой четверти - около 18 часов, в полнолуние - в 0 часов, а в последней четверти - в 6 часов.

Для измерения малых и больших промежутков времени пользуются естественными единицами времени, которые связаны с основными астрономическими явлениями. Малые промежутки времени - сутки, час, минута, секунда - связаны с вращением Земли вокруг Солнца. В основе счета больших промежутков времени лежит тропический год - промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра диска Солнца через точку весеннего равноденствия. Из астрономических наблюдений установлено, что тропический год равняется 365 дням 5 часам 48 минутам 46 секундам. Продолжительность его не остается постоянной, но ее изменение весьма незначительно: за несколько тысячелетий всего лишь на единицы секунд.

Непостоянна и скорость движения Земли по орбите. Одну половину своего пути, с 21 марта по 23 сентября ( летнее “полугодие”), Земля проходит за 186, а вторую, с 23 сентября по 21 марта ( зимнее “полугодие”), за 179 дней.

Повторяющееся ежегодно движение нашей планеты вокруг Солнца называется годичным движением Земли; его следствием и является смена времен года.

При решении астрономических задач пользуются звездными сутками - это промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями на одном и том же географическом меридиане одной и той же звезды или точки весеннего равноденствия. Звездные сутки делятся на 24 звездных часа, каждый час - на 60 звездных минут, а каждая минута - на 60 звездных секунд. Из звездных суток складывается звездный год. Тропический год короче звездного - истинного периода обращения Земли вокруг Солнца - на 1224 секунды, или на 20,4 минуты. За начало звездных суток для точек каждого меридиана принимают момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия. Для измерения звездного времени пользуются звездными часами, находящимися в астрономических обсерваториях и отрегулированных так, что они ежесуточно уходят вперед против обыкновенных часов на 3 минуты 56 секунд. Промежуток времени между двумя последовательными одноименными (верхними или нижними) кульминациями центра солнечного диска называется истинными солнечными сутками. В практической жизни (в науке, технике и производстве) за основную единицу измерения времени принимают средние солнечные сутки.

До 1956г. значение секунды принималось равным 1: 86 400 части средних солнечных суток, определяемых по вращению Земли вокруг своей оси. Для более точного определения секунды в 1960г. ХI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила рекомендованную IX конгрессом МАС в 1955г. ее значение как 1 : 315 569 25,9747 часть тропического года, каким он был на начало 1900г. Такая секунда была названа эфемероидной ; она определяется с погрешностью до. За начало средних солнечных суток принимают момент нижней кульминации среднего солнца. Такой счет времени называют гражданским временем. Часы, которыми мы пользуемся, отрегулированы не по истинному, а по солнечному времени.

Разница между истинным и средним солнечным временем - уравнение времени.

Среднее солнечное время имеет свое собственное значение для каждого меридиана на Земле и поэтому его еще называют местным средним временем.

В соответствии с международным соглашением (Рим, 1883г.) за начальный меридиан для счета географических долгот на нашей планете принят Гринвичский меридиан с долготой, раной 0 ^00’00’’,а местное гринвичское время, отсчитываемое от полуночи, условились называть всемирным или мировым временем.

Наличие в различных пунктах, лежащих на разных меридианах, своего местного времени приводило ко многим неудобствам.

В 1878г. канадский инженер С. Флеминг предложил так называемое поясное время, которое в 1884г. было принято на Международном астрономическом конгресс. По идее С. Флеминга вся поверхность земного шара условно разделяется меридианами на 24 часовых пояса протяженностью каждый в 15^ (1 час) по долготе. Во всех точках каждого часового пояса устанавливается время, соответствующее среднему меридиану данного пояса. За нулевой принят пояс, средним меридианом которого является Гринвичский, от которого нумерация поясов ведется с запада на восток. Поясное время при переходе из одного пояса в смежный изменяется скачком на 1 час.

Впервые поясное время было введено в 1883г. в Канаде и в США; в начале ХХ в. им стали пользоваться в некоторых европейских государствах.

В нашей стране на поясное время перешли впервые с 1 июля 1918г., и вначале им пользовались лишь для целей судоходства. В целях лучшего использования естественного света, т.е. симметричного расположения рабочего дня относительно полдня, и по некоторым экономическим соображениям летом во многих странах мира часы переводят вперед поясного времени на один и больше часов, устанавливая этим так называемое летнее время.

Так, например, поступили во Франции в апреле 1916г. а затем этому последовали и некоторые другие страны. Время, отличающееся от поясного на один час, у нас в стране называется декретным /Декрет СНК 16 июня 1930г./

В каждой точке земного шара новое календарное число, иначе календарная дата, начинается с полуночи. А т.к. в разных местах нашей планеты полночь наступает в разное время, то в одних пунктах новая календарная дата наступает раньше, а в других позднее. Чтобы избежать путаницы в числах месяца, по международному соглашению была установлена линия перемены дат, которая в большей части проходит по меридиану с долготой 180^(12 часов). Здесь и начинается раньше всего новая календарная дата (число месяца).

История развития часов- средств для измерения времени- одна из интереснейших страниц борьбы человеческого гения за понимание и овладение силами природы.

Первыми часами было Солнце. Первыми приборами для измерения времени были солнечные часы, затем - экваториальные солнечные часы. Интерес к солнечным часам проявляется в разных странах и в наше время. В дальнейшем были изобретены песочные часы/воронкообразные стеклянные сосуды, поставленные один на другой и верхний заполнен песком/. Ими можно было пользоваться в любое время суток и независимо от погоды. Они широко применялись на кораблях. Более удобными и не требующими постоянного надзора были огненные часы, имевшие широкое распространение. Одни из огненных часов, которыми пользовались рудокопы древнего мира, представляли собой глиняный сосуд с таким количеством масла, которого хватало на 10 часов горения светильника. С выгоранием масла в сосуде рудокоп заканчивал свою работу в шахте. В Китае для огненных часов из специальных сортов дерева, растертого в порошок, вместе с благовониями приготовляли тесто, из которого делали палочки разной формы или чаще длинные, в несколько метров спирали. Такие палочки (спирали) могли гореть месяцами, не требуя обслуживающего персонала.

Известны огненные часы, представляющие одновременно и будильник. Для таких часов, а они впервые появились в Китае, к спирали или палочкам подвешивались металлические шарики, которые при сгорании спирали (палочки) падали в фарфоровую вазу, производя громкий звон.

Европейский вариант огненных часов, которыми особенно часто пользовались в монастырях, представлял собой свечи, на которых наносились метки. Сгорание отрезка свечи между метками соответствовало определенному промежутку времени. Однако точность огненных часов, независимо от их конструкции, была весьма низка и во многом зависела от состояния окружающей среды- доступа свежего воздуха, ветра и других факторов. Более совершенными оказались водяные часы. Водяные часы были известны и широко использовались в Древнем Египте, Иудее, Вавилоне, Китае. Первые водяные часы представляли собой сосуд с отверстием, из которого вода вытекала за определенный промежуток времени. Так, например в Африке, где ощущался недостаток воды, человек, ведавший ее распределением (“ укиль-эль-ма ”), пуская воду на поле крестьянина, одновременно заполнял и сосуд. По истечении воды из сосуда прекращалась подача воды на поле крестьянина ; ее пускали на поля другого земледельца. В последующем создавались водяные часы самой различной конструкции, и определение времени по таким часам производилось по скорости вытекания воды из одного сосуда в другой. Сосуды имели метки, которыми пользовались для отсчета промежутков времени. Клепсидры /водяные часы/ использовали не только в быту (особенно ночью), но и для регламентации времени выступления ораторов в общественных собраниях и судах, при разводе караулов и в других случаях.

Точность определения времени по солнечным, песочным, огненным и водяным часам не превышала нескольких минут в сутки, чего впрочем, было достаточно для экономических и общественных запросов того времени.

Своеобразные ручные “водяные” часы с высокой точностью хода созданы в Техасском университете (США). Источником энергии для них является подсоленная вода. Один раз в неделю несколько капель воды пускаются в специальное отверстие. Рекламируется безотказная работа часов в течение десяти лет, если вода будет в часах постоянно.

По мере развития производительных сил, роста городов повышались требования к приборам для измерения времени. В конце ХI - начале XII вв. Были изобретены механические часы, ознаменовавшие собой целую эпоху. Заметный шаг в создании механических часов сделал Галилео Галилей, открывший явление изохронности маятника при малых колебаниях, т.е. независимости периода колебаний от амплитуды. Еще более точными часами, пришедшими на смену механическим были кварцевые часы. Кварцевые часы, погрешность хода которых не превышает микросекунды за день, применяются в качестве первичных для электронной станции в Гамбурге, гарантирующей синхронную работу всех электронных часов, включенных в систему; станция может управлять сетью, состоящей примерно из 20 000 вторичных электронных часов. После разработки академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в 1954г. генераторов высокостабильных колебаний были созданы часы, маятником в которых служат колебания молекул аммиака. Такие часы называют “квантовыми” или “атомными”, а иногда “молекулярными”. Они позволяют получать “атомные секунды”. Время отсчитываемое по таким часам, называют атомным. 24 атомных часа составляют атомные сутки, содержащие 860 400 атомных секунд, которые не связаны ни с вращением Земли, ни со временем, определяемым астрономически.

Решение ряда научных и технических задач требует знания точного времени. В 1919г. на конференции в Брюсселе был создан МАС, и одним из первых решений Специальной комиссии этого союза было учреждение в Париже постоянно действующего Международного Бюро времени (МБВ), деятельность которого началась с 1 января 1920г.; в его задачу входит координация работ и обобщение результатов всех служб времени мира. Такие службы очень необходимы. Есть такая служба и у нас в городе, основанная на базе Николаевской обсерватории. На очереди решение вопроса, связанного с единым временем как для земных, так и для космических приборов, а для этого эталоном времени, как предполагают специалисты, могут стать сигналы нейтронных звезд- пульсаров, по которым должны проверяться сверх точные земные часы.

Передачи службой времени сигналов времени на любые расстояния с высокой точностью позволяют легко сравнить получаемые результаты каждой из них с аналогичными результатами других служб времени.

Но многовековая история человечества еще и неразрывно связана с календарем, потребность в котором возникла в глубокой древности. Календарь позволяет регулировать и планировать жизнь и хозяйственную деятельность, что особенно необходимо людям, занимающихся земледелием. В результате попыток согласования суток, месяца и года возникли три системы календарей: лунные, в которых хотели согласовать календарный месяц с фазами Луны; солнечные, в которых стремились согласовать продолжительность года с периодичностью процессов, происходящих в природе: лунно-солнечные, в которых хотели согласовать и то и другое. С середины VIII в. до н .э. в Римской республике пользовались календарем, состоявшим из 10 месяцев/Юлианский календарь/. Первый месяц, с которого в те времена начинался год, был назван Мартиус(Martius) - в честь бога Марса. Название второго месяца _ Априлис(Aprilis) происходит от слова “аперио”, что значит “раскрывать” (“открывать”) ; в этом месяце раскрываются на деревьях почки, Третий месяц был назван в честь богини Маий (символизирующей цветение растений), матери бога Меркурия, четвертый - в честь богини Юноны, супруги Юпитера. Последующие месяцы назывались порядковым номерами, начиная с пятого (например, нынешнее русское название “сентября” происходит от слова “септембер”, что означает “седьмой”). В таком календаре четыре месяца года имели по 31 дню, а осталось шесть - по 30 дней, поэтому первоначально римский календарный год имел 304 дня. В VII в. до н. э. Были добовлены два месяца - одиннадцатый , названный “януариус” в честь двуликого бога Януса - покровителя земледелия , у которого одно лицо было обращено вперед , а другое назад , и двенадцатый , название которого происходит от латинского слова “фебруариус” (Februarius)- очищение , связанное с соответствующим религиозным обрядом .

В результате этой реформы год в первоначальном римском календаре был более чем на 10 суток короче тропического, или солнечного, года и состоял из 355 суток. Такая продолжительность римского календаря довольно хорошо совпадала с продолжительностью лунного года, равного 354,4 суток, и это не случайно, так как римляне пользовались лунным календарем, для которого начало каждого месяца должно совпадать с днем первого появления Луны после новолуния.

Количество дней в первоначальном римском календаре