Особенности вращения Земли

Еще в школе мы узнаем, что смена дня и ночи объясняется вращением нашей планеты. Она делает один оборот за 24 часа.

Хоть на первый взгляд факт вращения очевиден, строго доказать его удалось только 8 января 1851 года физику Леону Фуко. Сейчас работа высокоточных приборов на космических аппаратах и астрономические наблюдения показывают, что вращение очень сложное, и у нашей планеты есть много секретов.

Все эти процессы изучает и помогает в уточнении параметров так называемая Международная служба вращения Земли. Организация выпускает обновленные данные каждую неделю. Высокоточные измерения нужны для определения базовых научных единиц: времени и координат в пространстве.

Кроме того, вращение объясняет образования циклонов, закручивание воды при стекании, отклонение падающих предметов и многое другое.

Докручивание Земли до суток

Во-первых, Земля делает оборот не за 24 часа, а только за 23 ч 56 минут. Планета вращается не только вокруг своей оси, но и вокруг Солнца. Из-за этого ей, чтобы закончить сутки нужно кроме целого оборота еще докрутиться на угол и компенсировать поворот из-за годичного движения. Все календари основаны именно на световом дне, и для простоты (чтобы не складывать дроби) за 24 часа принимаются именно солнечные сутки, а период вращения на 4 минуты короче.

Во-вторых, скорость движения не постоянна. Луна и Солнце своим притяжением слегка тормозят планету. Приливные волны в океане, атмосфере и поверхности за счет трения отбирают энергию вращения. Кроме того, Луна и/или Солнце, стремятся развернуть приливные горбы Земли ближе в свою сторону. Торможение Земли будет идти до тех пор, пока скорость обращения Луны не сравняется со скоростью вращения Земли, то есть пока 1 день не будет равен 1 месяцу. Представьте, как будет холодно ночью, и жарко днем. К счастью, это случится не раньше, чем через 40 млрд лет, но к этому времени уже, вероятно, Земля, Луна да и Солнце не будут существовать.

Луна замедляет землю за счет приливов

Цифра примерная, так как темп замедления будет разным. Сейчас, наоборот, наша планета ускоряется. Есть гипотеза, что это может быть связано с глобальным потеплением. Известен эффект, когда тело меняет скорость при изменении своего радиуса. Так, например, во время соревнований по фигурному катанию легко заметить, как фигуристы крутятся быстрее, когда прижимают руки к телу.

Следуя научной гипотезе, когда полярные шапки тают, масса воды распределяется по поверхности Земли, и та крутится быстрее. В нашу эпоху этот эффект может быть сильнее процессов замедления из-за приливов, но не стоит радоваться. Если весь лед растает, значит и причины ускорения уже не будет, и приливы возьмут свое.

Заметный эффект оказывают подвижки тектонических плит и земной коры. Он слабый и на первый взгляд хаотичный. Если же ученым удастся повысить точность спутниковых измерений вращения Земли, то можно предсказывать землетрясения.

В этом помогают навигационные космические аппараты по типу ГЛОНАСС и геодезические спутники, например, Гео-ИК.

ГЛОНАСС

Гео-ИК

Кроме изменения скорости, есть много особенностей, связанных с изменением положения оси вращения. Если мы попробуем раскрутить волчок, он будет вращаться, стоя на тоненькой ножке, и не падать. Но со временем ось начнет наклоняться и выписывать дополнительные круги. Такое движение называется прецессия. У Земли она тоже есть, но полный круг ось планеты совершает только за 25 765 лет. Причина в том, что Земля не является сферой: из-за вращения планета немного сжата у полюсов. Солнце своим притяжением пытается развернуть ее. На экваторе уширение начинает притягиваться к нему и пытается стать ровно, однако, угол наклона оси планеты к орбитальной плоскости не может измениться. Вместо этого ось начинает за неимением выбора крутиться вокруг еще одной оси.

У этого явления много последствий для жизни. Например, сейчас путешественники знают, что ось вращения Земли со стороны северного полушария направлена на Полярную звезду в ручке ковша Малой Медведицы. Она, в отличие от других звезд, остается на небе в одном положении, не заходит и не восходит. Если ее найти на небе, то удастся найти направление на север. Однако 2000 лет назад роль Полярной играла другая звезда уже в Большой медведице, сейчас мы ее называем Тубан. Через 12 000 лет роль Полярной звезды станет играть Вега. Она самая яркая из тех звезд, что могут указывать на север. Для путешественников в течении тысячелетия небольшие сдвиги роли не сыграют. Для точных навигационных приборов даже небольшое смещение оси может оказать сильное влияние. К счастью прецессия легко рассчитывается и учитывается.

Забавно, что с прецессией связано смещение знаков зодиака. Так, рожденный сегодня, 8 января, на самом деле не козерог как написано в газетах. Солнце в этот момент находится в созвездии Стрелец. Правда, этот факт имеет значение только для астрологов (не путать с астрономами).

Прецессия (синяя) и нутация (красная)

Кроме прецессии есть еще колебательное движении оси, которое выглядит, как легкое дрожание. Оно называется нутацией. Солнце и Луна своим притяжениям стремятся выровнять ось вращения Земли перпендикулярно плоскости орбиты, но делают это с разной силой и направлением. Зимой и летом Солнце тянет экватор Земли к себе, а весной и осенью экватор и так смотрит на Солнце и никуда не перетягивается. Также, и даже в большей степени, Луна, оказывает влияние то с одной стороны, то с другой стороны. Эта разница силы воздействия и рождает колебания. Если все взаимодействия усреднить, то получится та самая прецессия, что описана выше.

Собственное движение полюса

При нутации ось вращения смещается с характерным месячным и годичным периодом и тоже может быть предсказана в отличие от собственного движения полюса.

При прецессии и нутации ось вращения относительно Земли не меняется, а вся планета (с осью) поворачивается. Однако течения, атмосферное давление, землетрясения деформируют планету. Масса внутри перераспределяется, а с ней сдвигается и ось вращения.

В этом движении наблюдается цикличность в 14 месяцев. Это связывают с годовыми изменениями климата. Зимой в северных широтах наблюдается высокое давление над северной частью Атлантического океана и низкое давление над Сибирью с разницей температур порядка 50°, а летом – наоборот. Масса всей, казалось бы невесомой, атмосферы 5 000 000 000 000 000 кг. Неравномерное распределение даже 1% воздуха приводит к значительным наблюдаемым смещениям оси вращения. Морские течения еще тяжелее, но отследить изменения в них сложнее.

Наконец, есть колебания положения оси вращения из-за упругости Земли. Если планету «раскачать», то даже без воздействия некоторое время она будет колебаться.

На этом казалось бы все, но нет. Ядро Земли и поверхность вращаются с разной скоростью. До 2009 года ученые с помощью сейсмических данных видели признаки, что ядро быстрее. Правда, сейчас скорости выровнялись, и даже поверхность начинает потихоньку обгонять ядро. К чему это приведет пока точно не известно, и возможно, скоро, мы сможем узнать больше о внутреннем строении Земли и особенностях ее вращения.