Рухи Землі

Земля виконує велику кількість рухів одночасно. В географії прийнято враховувати та аналізувати три з них: 1) орбітальний рух; 2) добове обертання та 3) рух системи Земля—Місяць.

і.г Рис. 9. Орбітальний рух Землі: F1, F2 – фокуси еліпса; L1, L2 – ділянки орбіти, що долає Земля за однакові відрізки часу; rw1-4 – радіуси-вектори земної орбіти; площі секторів S1 = S2

Рух Землі навколо Сонця.Навколо Сонця Земля рухається вздовж орбіти, що мало відрізняється від кола. Ексцентриситет земної орбіти е = 0,017, середній радіус орбіти — 149,6 млн км. Сонце перебуває в одному з фокусів еліптичної орбіти Землі, внаслідок чого відстань між Землею та Сонцем протягом року змінюється від 147,117 (у перигелії) до 152,083 млн км (в афелії). Велика піввісь орбіти Землі, довжина якої дорівнює 149,6 млн км, використовується як астрономічна одиниця (а. о.) при вимірюванні відстаней у межах Сонячної системи.

Швидкість руху Землі вздовж орбіти тим вища, чим меншим є радіус-вектор (відстань від Землі до Сонця). Середня орбітальна швидкість Землі становить 29,765 км/с. У перигелії Земля перебуває на початку січня. Отже, в цей час рух по орбіті стає швидшим, тому зимове півріччя в північній півкулі коротше, ніж у південній.

Під дією притягання інших планет положення площини земної орбіти, а також її форма повільно змінюються протягом мільйонів років; кут нахилу екліптики — від 0 до 2,9°, а ексцентриситет — від 0 до 0,067.

Земна вісь нахилена щодо площини орбіти. Вона утворює з нею кут 66°33'. Під час руху вісь переміщується поступально, отже, на орбіті виникають чотири характерні точки.

 

Рис. 10. Характерні точки на еліпсоїдальній орбіті Землі: весняного (21.03) та осіннього (23.09) рівнодення і зимового (22.12) та літнього (22.06) сонцестояння; показано відповідне розташування довгої осі еліпса, що сполучає точки перигелію (3.01) й афелію (5.07)

 

У дні рівнодень радіус-вектор перебуває в площині екватора, а світлороздільна лінія поділяє усі паралелі навпіл. Завдяки цьому сонячні промені на екваторі опівдні йдуть прямовисно, і на всій земній кулі день дорівнює ночі (на полюсах відбувається зміна дня та ночі). Розрізняють весіннє та осіннє рівнодення.

У дні сонцестоянь площина екватора розташована відносно сонячного променя (та радіуса-вектора орбіти) під кутом 23°27`. Сонце в цей час перебуває в зеніті над одним із тропіків. Розрізняють літнє та зимове сонцестояння.

На рис. 11 детально показано рух Землі по орбіті (порівняно з орбітами Меркурія і Венери).

З нахилом земної осі щодо площини орбіти пов’язане утворення на певних паралелях полярних кіл і тропіків.

 

Рис. 11. Орбітальний рух Землі.

 

Полярне коло – паралель, широта якої дорівнює кутові нахилу земної осі щодо площини орбіти. Полярні кола є межами полярного дня та полярної ночі. Під час полярного дня (ночі) Сонце протягом доби (або більше) не заходить (не сходить). Тривалість полярного дня (ночі) закономірно зростає відповідно до широти місцевості від 1 доби (на полярному колі) до півроку (на полюсі).

Тропік – це паралель, широта якої відповідає куту, що доповнює кут нахилу земної осі до прямого. Тропіки – це межі зенітального положення Сонця опівдні. На тропіках Сонце перебуває в зеніті один раз, а в просторі між ними – двічі на рік.

Унаслідок еліпсоїдальності орбіти на нахилу земної осі щодо площини орбіти в середньому на 23°30` земна вісь рухається в тілі Землі (так звана прецесія), описуючи конус. Це, відповідно, знаходить прояв у періодичній зміні кута нахилу земної осі відносно екліптики в інтервалі 22°06,8`…24°56,8` (рис.12). Для сучасної епохи значення кута нахилу становить (за даними 1960 р.) 23°27`08``. З тієї самої причини лінія перетину площини екватора з площиною екліптики, що на ній лежать точки рівнодень, переміщується назустріч рухові Землі вздовж орбіти, завдяки чому тропічний рік коротший, аніж сидеричний (сонячний). Тропічним роком називають відрізок часу в добах між двома послідовними проходженнями Землі через точку весняного рівнодення на орбіті (або між двома послідовними весняними рівноденнями, що становить 365 діб 5 год. 48 хв. 46 с).

Період часу, протягом якого земна вісь описує повний конус, називають прецесійним циклом (25 375 тропічних років). Поряд з цим існують іще принаймні два ритми (41 та 200 тис. років), що зумовлені взаємодією Землі з Місяцем та Сонцем.

Оскільки від нахилу площини екватора до екліптики залежить контрастність у надходженні сонячного тепла на різні широти (чим більший кут, тим контрастність більша), а також вираженість сезонів року (чим більший кут, тим вираженість сезонів більша), а також вираженість сезонів року (чим більший кут, тим вираженість сезонів вища), прецесія та інші зміни руху Землі зумовлюють періодичні зміни режиму надходження сонячного випромінювання на кожній широті.

Якщо скласти ці збурення, отримаємо криву, на якій показані еквівалентні широти за останні 1 млн років, розраховані для паралелі 65°. Під еквівалентними широтами розуміють положення відносно екватора (тобто з широтою місця) точки, що отримує кількість сонячного випромінювання (інсоляції), що дорівнює його надходженню в нинішню епоху на певній широті (65° у нашому випадку).

Графік вказує, якій широті відповідає в певний момент часу надходження інсоляції на 65-й паралелі. Коли на графіку крива прямує догори – радіаційні умови сприяють потеплінню, в іншому разі (тобто в мінімумах кривої) вони відповідають похолоданню.

Першим подібну криву побудував сербський астроном Мілютін Міланковіч у 1913 р. спочатку для періоду в 600 тис. років. У результаті вченим та його послідовниками, що неодноразово уточнювали побудову, було сформульовано астрономічну теорію коливань клімату. Відповідно до цієї теорії (за останніми даними Ш.Г. Шараф та Н.А. Буднкової) протягом останніх 30 млн років еквівалентні широти паралелі 65° коливалися в межах 58…79°, причому найбільш вираженим був ритм у 41 тис. років, зумовлений коливаннями нахилу земної осі, а також 1,2…1,3 млн років, пов’язаний зі змінами ексцентриситету орбіти.

 

 

 

Рис. 12. Залежність кліматичних умов на Землі від астрономічних чинників (графіки еквівалентних широт 57…79°); мінімумам відповідають четвертинні зледеніння, максимумам – міжльодовиків’я: а – минулий час; б – проноз на наступний мільйон років.

 

У палеогеографії криву Міланковіча застосовують для пояснення ритмічних змін клімату, з якими зокрема пов’язані льодовикові епохи, поонайменовані за альпійською шкалою зледенінь (І-ІІІ – етапи епох): – І – 590 тис. років тому, ІІ – 565, міндель – І – 476, ІІ – 435, рис – І – 230, ІІ – 187, вюрм – І – 115, ІІ – 72, ІІІ – 25 тис. р.т.

Нині маємо й інші теорії циклічної зміни клімату.

Розрахунки свідчать, що коливання в надходженні інсоляції на широті 65° можуть досягати 6%. За різними оцінками 1% зміни надходження інсоляції може спричинити зміну температури в полярних широтах до 2,3, а середньорічної температури на екваторі – на 2°, а полюсах – на 1°.

Обертання Землі. Добове обертання Землі відбувається навколо осі, яка внаслідок гіроскопічного ефекту прагне до збереження сталого положення в просторі. Земля обертається рівномірно. Відтинок часу між послідовними проходженнями площини меридіана певної точки через центр Сонця називають сонячною добою.

Земля обертається проти годинникової стрілки, якщо дивитися з Північного полюса.

Географічні наслідки добового обертання Землі:

1) зміна дня та ночі, тобто зміна протягом доби положення Сонця відносно площини горизонту з певної точки

З цим пов’язані: добовий ритм сонячної радіації, інтенсивність якої залежить від кута нахилу земної вісі; ритми нагрівання та охолодження, місцевої циркуляції повітря та життєдіяльності живих організмів;

2) вісь обертання, полюси та екватор є основою географічної системи координат;

екватор є площиною симетрії, відносно якої розташовуються пояси освітлення, змінюється інсоляція;

від півкулі (північної, південної) залежить напрямок сили Коріоліса, а від широти – її значення; полюси не беруть участі в добовому обератні;

3) деформація фігури Землі – сплющеність з полюсів (полярне стиснення); це пов’язано зі зростанням відцентрової сили від полюсів до екватора;

4) наявність сили Коріоліса (геострофічної, або поворотної сили):

 

F_K=2mνω sin φ,

 

де m – маса; ν- швидкість тіла, що рухається; ω- кутова швидкість обертання Землі; φ - широта певної точки.

Сила Коріоліса діє лише на тіла, що рухаються, пропорційна їхній масі та швидкості руху і залежить від широти, на якій розташована точка. Чим вища кутова швидкість, тим більша сила Коріоліса (тобто з подовженням доби за рахунок дії припливного тертя сила Коріоліса зменшується. Останній фактор є суттєвим лише в геологічному часі (у палеогеографії); для невеликих відтинків часу, що ними звичайно оперують у географії, кутову швидкість вважають сталою;

5) суперпозиція відцентрової сили та сили тяжіння на Землі дає силу ваги. Сила ваги – це векторна різниця між силою тяжіння та відцентровою. Відцентрова сила зростає від 0 на полюсах до максимального значення на екваторі. Відповідно до зменшення відцентрової сили від екватора до полюса сила ваги зростає в тому самому напрямку й досягає максимуму на полюсі (де дорівнює силі тяжіння).

Деформація фігури Землі, спричинена відмінностями сили ваги, ще більшою мірою підкреслює збільшення відцентрової сили (зменшення сили ваги) в напрямку екватора і, отже, ще більш сприяє сплющеності Землі з полюсів.