Форма, движения Земли и их следствия. Солнечная радиация в атмосфере

 

Мысль о том, что Земля имеет форму шара, впервые высказал в VI в. до н.э. древнегреческий ученый Пифагор, а доказал это и определил радиус Земли египетский математик Эратосфен живший в III веке до н.э.
Как и все планеты Солнечной системы, Земля имеет шарообразную форму. Прежде чем говорить о ее точных размерах, введем несколько важных географических понятий.

Земля вращается вокруг воображаемой прямой - так называемой земной оси. Точки пересечения земной оси с земной поверхностью называются полюсами. Их два: Северный и Южный. Линия пересечения поверхности земного шара плоскостью, проходящей через центр Земли перпендикулярно земной оси, называется экватором. Плоскости, пересекающие земную поверхность параллельно плоскости экватора, образуют параллели, а плоскости, проходящие через два полюса, - меридианы (рис. 1).

Рис. 1. Градусная сеть Земли

Из-за вращения вокруг своей оси и возникающей при этом центробежной силы, Земля немного сплюснута у полюсов и ее большая полуось (экваториальный радиус (а)) почти на 21,4 км больше, чем расстояние от центра Земли до полюсов. Такой сплюснутый у полюсов шар называется сфероидом или эллипсоидом вращения (рис. 2а).Земной эллипсоид с определенными размерами и ориентированный определенным образом для части Земли называют референц-эллипсоидом. В нашей стране его размеры были получены под руководством выдающегося геодезиста Ф. Н. Крассовского. Его параметры:

• экваториальный радиус (а) – 6378245 м,
• полярный радиус (b)– 6356863м
• длина меридиана - 40008500 м,
• длина экватора - 40075700 м,
• площадь поверхности Земли - 510 млн. км².

Рис.2. Форма Земли: а) эллипсоид вращения; б) геоид

В действительности фигура Земли еще сложнее. Она отклоняется от правильной формы сфероида из-за неоднородного строения недр и неравномерного распределения массы. Истинная геометрическая фигура Земли называется геоидом ("землеподобным"). Геоид - это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести, т.е. отвесу.

Геоид — условная поверхность равного потенциала (поверхность равновесия), совпадающая с поверхностью свободно покоящейся воды в открытом океане. Поднятия геоида над эллипсоидом не превышают 136 м, опускания - 162 м.

Земля совершает много различных движений, из которых важное значение имеют – осевое и движение вокруг Солнца.

Осевое движение Земли. Угловая скорость вращения Земли (т.е угол, на который поворачивается какая-нибудь точка на поверхности Земля за определенный отрезок времени) одинакова для всех широт. За один час точка пробегает 15⁰ (360⁰: 24 ч). Линейная же скорость зависит от широты места. На экваторе она равна 464 м/с.

Следствия движения Земли вокруг своей оси:

1. При вращении Земли возникает центробежная сила, которая играет важную роль в формировании фигуры планеты и тем самым уменьшает силу притяжения.

2. Происходит смена дня и ночи.

3. Появляется отклонение тел от направления их движения, этот процесс был назван сила Кориолиса (в честь французского ученого Гюстава Кориолиса, открывшего ее в 1833 году). Данная сила проявляется во многих процессах: она изменяет движение воздушных масс, морских течений. По этой причине происходит подмыв правых берегов в северном полушарии и левых берегов в южном полушарии.

4. С осевым движением связаны явления суточной ритмичности и биоритмы. Суточный ритм связан со световыми и температурными условиями.

Движение Земли вокруг Солнца. Земля, вращаясь вокруг своей оси, в то же время движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. При такой большой скорости она совершает пол­ный оборот в течение 365 сут. 5 ч 48 мин 46 с, проходя путь 937 млн. км. Этот путь называется орбитой.

Путь Земли вокруг Солнца называется орбитой. Орбита Земли – это эллипс, близкий к окружности. Ее длина составляет более 930 млн. км. Ось вращения Земли наклонена к орбите под углом 66,5 градусов, это явление способствует смене времен года. Наклон земной оси к плоскости орбиты и сохранение ее ориентировки в пространстве обуславливает различный угол падения солнечных лучей и соответственно различия в поступлении тепла на земную поверхность, а также влияет на неодинаковую продолжительность дня и ночи в течение года на всех широтах, кроме экватора.

Смена времен года. Летом Северное полушарие как бы повернуто к Солнцу, а зимой — наоборот. 23 сентября и 21 марта — дни осеннего и весеннего равноденствия, когда Солнце одинаково освещает оба полушария Земли. В этот день и в Северном и в Южном полушарии день равен ночи. 22 декабря — день зимнего солнцестояния: самый короткий день и самая длинная ночь в Северном полушарии. Земля обращена к Солнцу своим Южным полушарием. Там лето. У нас зима (рис. 3, 4).

Тропики (от греч. tropicos — круг поворота) — географические параллели, отстоящие к северу и к югу от экватора на 23° 27'.

22 декабря, в день зимнего солнцестояния, Солнце находится в полдень в зените для мест, лежащих на Южном тропике (тропик Козерога).

Рис. 3. Падение солнечных лучей на земную поверхность и освещение Земли

22 июня — день летнего солнцестояния, когда самый длинный день и самая короткая ночь в Северном полушарии. В этот день Солнце в зените наблюдают жители мест, расположенных на Северном тропике (тропик Рака). В Южном полушарии в это время зима.

Перигелий (от пери... и греч. hélios — Солнце), ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, движущегося вокруг Солнца по одному из конических сечений — эллипсу, параболе или гиперболе.

Афелий (от греч. аро — вдали от и helios — Солнце), точка орбиты планеты, кометы или какого-либо другого тела, обращающегося вокруг Солнца, наиболее удалённая от Солнца

Зенит - угол падения солнечных лучей к земной поверхности 90°.

Полярные круги — географические параллели, отстоящие к северу и к югу от экватора на 66° 33'. Они являются границами зон полярных ночей и полярных дней.

Полярная ночь может длиться в полярных поясах от 1 суток на широте Северного или Южного полярных кругов до 178 суток на Северном или Южном полюсах. Во время полярной ночи Солнце не появляется над горизонтом. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга этот период начинается 22 декабря, а в более высоких широтах — раньше.

Полярный день — это период, когда Солнце не спускается за горизонт. Чем дальше от полярного круга к полюсу, тем длиннее полярный день. На широте полярного круга он длится 1 сутки, а на полюсе — 189 суток. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга полярный день начинается 22 июня. Аналогичное явление наблюдается в Южном полушарии, но в другое полугодие.

Вследствие наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты и обусловленных этим различий в освещенности ее поверхности Солнцем, на нашей планете образовались пять поясов освещенности, ограниченных тропиками и полярными кругами. Они отличаются продолжительностью дня и тепловыми условиями.

Жаркий пояс лежит между тропиками, по обе стороны от экватора, и занимает около 40% земной поверхности. В этом поясе Солнце по одному разу в год (в дни солнцестояния) бывает в зените над каждым из тропиков. На экваторе день всегда равен ночи.

Два умеренных пояса расположены между тропиками и полярными кругами. Солнце в них никогда не бывает в зените. В течение суток обязательно происходит смена дня и ночи, причем продолжительность их зависит от широты и времени года. Умеренные пояса занимают 52% земной поверхности.

Два холодных пояса — к северу от Северного полярного круга и к югу от Южного полярного круга — характеризуются наличием полярных дней и ночи. Их площадь — 8 % земной поверхности. Пояса освещенности составляют основу климатической зональности Земли и природной зональности вообще.

Задание 1. Определите с помощью рисунка «Отклонение поверхности геоида от эллипсоида» участки Земли с «провалами» и «поднятием» над уровневой поверхностью геоида» (рис. 5).

 

Рис. 4. Движение Земли вокруг Солнца

 

Задание 2. Вычислите и сравните линейную скорость вращения точек в разных широтах и заполните таблицу 1. Опишите следствия вращения Земли вокруг своей оси. Линейная скорость вращения точек Земли можно вычислить по формуле: V= V₁ *cos φ, где

V₁ – скорость на экваторе;

φ – широта

Таблица 1

Линейная скорость точек в разных широтах при осевом вращении Земли

 

Широта, 0
Скорость, м/с

Задание 3. Изобразите расстояние между Землей и Солнцем на рисунке. Охарактеризуйте связь между изменениями мест восхода и захода Солнца и продолжительностью дня в течение года. Объясните смену времен года. охарактеризуйте пояса освещенности.

Рассмотрите и зарисуйте схемы положения Земли по отношению к солнечным лучам в дни: весеннего и осеннего равноденствия; зимнего и летнего солнцестояния.

 

 

Рис.5. Отклонение поверхности геоида от эллипсоида (в метрах)