Вопрос 8. Орбитальное движение Земли и ее осевое вращение. Неравномерности вращения Земли и их физическая природа.

Галактика вращается вокруг своей оси с неодинаковой угловой скоростью в различных ее точках: скорость возрастает по мере удаления от ядра Галактики к ее периферии. Полный оборот на расстоянии Солнца от ядра Галактика совершает как минимум за 180 млн. лет, вращаясь со скоростью около 2510⁴ м/с. Галактика постоянно поступательно движется в направлении созвездия Единорога со скоростью около 2110⁴ м/с.В этих движениях вместе с Солнцем участвует Земля как составная часть Солнечной системы.

Одновременно с этим Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите с запада на восток (орбитальное движение). Эксцентриситет орбиты равен 0,017. Наиболее близкая к Солнцу точка земной орбиты наз. перигелием, наиболее удаленная – афелием. Полный оборот вокруг Солнца наша планета совершает за 365 суток 5 часов 48 мин и 46 с. Характерно, что на отдельных участках орбиты движение Земли происходит быстрее, чем на других. Первую половину своей орбиты планета проходит примерно за 186 суток (с 21 марта по 23 сентября), вторую – за 179 суток (с 23 сентября по 21 марта ). Наибольших значений скорость орбитального движения достигает в перигелии, наименьших – в афелии. При средней, или так наз. круговой , скорости Земли, равной 29 780 м/с, различие скоростей в перигелии и афелии составляет 950 м/с.

Наряду с орбитальным движением Земля постоянно совершает вращательное движение вокруг своей оси. Такое вращение происходит также с запада на восток, полный оборот вокруг своей оси планета совершает за одни сутки (23 часа 56 мин 4 с) с угловой скоростью около 7,29211610^-5 с^-1, или со средней линейной скоростью 465 м/с.

Еще в 1693 г. Галлилей, а затем И.Кант (1754 г), Лаплас (1787 г) получили доказательства, свидетельствующие о неравномерности осевого вращения Земли. Продолжительность суток  и угловая скорость  меняются в течение года. Наибольших значений  достигает в марте, наименьших – в августе, причем их разность равна 2510^-4 с. Относительное изменение угловой скорости между мартом и августом составляет около 2,810^-8.

Ярким доказательством осевого вращения Земли является известный опыт, поставленный Фуко в 1851 г. с физическим маятником. Опыт основан на законе механики, что всякое колеблющееся (качающееся) тело стремится сохранить плоскость своего колебания при условии, что на него не действуют никакие другие силы, кроме силы тяжести. ₀ = 15 град/час. Другое доказательство – силы Кориолиса, действием которых объясняется подмыв правого берега рек в Северном полушарии и левого – в Южном. Следующим доказательством осевого вращения Земли является отклонение падающих тел к востоку в Северном и к западу – в Южном полушарии. Это связано с тем, что чем дальше находится точка от оси вращения Земли, тем больше ее скорость вращения с запада на восток. Отклонение падающего тела к востоку x зависит от высоты падения z и географической широты  следующим образом: x = 0,22 z cos

В настоящее время принято рассматривать три типа неравномерности вращения Земли: вековое (постоянное) замедление, переодические (сезонные) и нерегулярные (скачкообразные) замедления. Вековые изменения приводят к увеличению периода вращения Земли вокруг своей оси. В результате продолжительность суток, например за последние 2000 лет, возрастала в среднем на 0,0023 с в столетие. Нерегулярные изменения – могут удлинять или сокращать продолжительность суток до 0,004 с. Периодические изменения ведут к тому, что время осевого вращения Земли в течение года может различаться на 0,001 с.

В результате влияния на Землю притяжений Луны и Солнца в океанах и морях образуются приливные волны, которые перемещаются в направлении, противоположном вращению планеты, это приводит к уменьшению энергии вращательного движения Земли и тем самым к замедлению ее вращения.

Известно, что момент количества движенияМ свободно вращающегося тела есть величина постоянная и представляет собой произведение момента инерции I на угловую скорость . Для Земли М = I = m_зR²(1 + 2/3),

где  - коэффициент, зависящий от структуры планеты (распределения плотностей горных пород по ее радиусу) – так наз. структурный коэффициент (для Земли принят равным 0,33; m_з и R – соответственно масса и средний радиус Земли.

Значит, если I будет уменьшаться (например из-за уменьшения  и R ), то скорость вращения Земли возрастает. По литературным данным, средняя скорость уменьшения земного радиуса составляет около 5 см за 100 лет, достигая в отдельные периоды 12 см. Это ведет к уплотнению земных недр, т.е. к уменьшению коэффициента , что неизбежно способствует росту значений .

Уменьшение радиуса Земли происходит неравномерно. Это усиливается неустойчивостью механического и физико-химического состояния недр. Так, давление в центре Земли Р равно: Р = f 3m_з²/(8R²), где f – гравитационная постоянная.

Из формулы видно, что уменьшение радиуса планеты сопровождается резким увеличением давления во всех слоях недр. Это приводит к перетоку новых масс планеты в состав ее ядра и его уплотнению. В итоге давление Р растет, а объем планеты уменьшается. В целом – наблюдается так наз. вековое ускорение вращения планеты, составляющее в относительных единицах 1,410^-8 за столение.

Главную роль в сезонных изменениях скорости вращения Земли играет атмосферная циркуляция (обмен количеством движения между атмосферой и Землей). Сезонные колебания скорости вращения Земли могут быть представлены двумя волнами – с годичным и полугодичным периодами.

В земной атмосфере имеются постоянные воздушные течения, размеры которых сопоставимы с размерами материков. Скорости этих течений на высотах 50 – 70 км в среднем составляют зимой около 100 м/с, летом 70 м/с. Причем, воздушные потоки в первом случае (зимой) направлены с запада на восток, во втором – с востока на запад. В более низких слоях атмосферы на высотах 8 – 15 км скорость воздушных течений в среднем равна 40 –60 м/с, они направлены с запада на восток. В результате трения воздушного потока о земную (водную) поверхность возникает тангенциальная сила, суммарное значение которой в приземном слое атмосферы может быть большим, тем самым она способствует замедлению вращения твердой оболочки Земли. Поскольку воздушные течения характеризуются нестационарностью по скорости и частично по направлению, действие силы трения вызывает также скачкообразные, непереодические изменения угловой скорости .

Большая роль в изменении скорости вращения нашей планеты принадлежит взаимодействию сезонной атмосферной циркуляции с поверхностью Земли. В Северном полушарии над материками обычно развиваются области низкого, зимой – высокого атмосферного давления. Это связано с большей нагретостью летом суши, чем моря, а зимой – наоборот. В результате “избыточные массы воздуха” скапливаются над сушей зимой, над морями и океанами летом. Совместно с особенностями пространственного распределения материков в обоих полушариях это вызывает периодические изменения скорости вращения Земли. Поэтому наряду с 11-летними и годовыми колебаниями скорости вращения Земли, связанными с солнечной активностью, могут существовать колебания, соответствующие разнообразным циклам погоды и имеющие период около 3 месяцев.

Следствий нешарообразности Земли и ее движений много. Так эллипсоидальность и неравномерное распределение масс внутри Земли оказывает влияние на движение ИСЗ и других летательных аппаратов, находящихся на больших расстояниях от земной поверхности.

Орбитальное движение – смена времен года. Суточное вращение Земли – смена дня и ночи, которая сопровождается изменениями в течение суток целого ряда параметров геосфер, например, температуры.

Осевое вращение Земли превращает приливные выступы в морях и океанах и в твердой оболочке Земли в приливную волну, которая как бы обходит вокруг планеты, перемещается навстречу ее вращения и поэтому замедляет его. Из-за возникающего торможения увеличивается продолжительность суток и это, в исторически большом масштабе времени, ведет к смене климата и др. физико-географических условий. Кроме того, в результате замедления вращения уменьшается полярное сжатие Земли. Это сопровождается опусканием и сокращением материков в экваториальной области, поднятием и увеличением их площади в полярных областях.