Вращение Земли или спин Земли — это вращение планеты Земля вокруг своей оси , а также изменение ориентации оси вращения в пространстве. Земля вращается на восток , в прямом движении . Если смотреть со стороны северной полярной звезды Полярис , Земля вращается против часовой стрелки .
Северный полюс , также известный как географический северный полюс или земной северный полюс, — это точка в Северном полушарии , где ось вращения Земли пересекает ее поверхность. Эта точка отличается от Северного магнитного полюса Земли . Южный полюс — это другая точка, где ось вращения Земли пересекает ее поверхность, в Антарктиде .
Земля совершает один оборот примерно за 24 часа относительно Солнца , но один раз каждые 23 часа, 56 минут и 4 секунды относительно других далеких звезд (см. ниже). Вращение Земли немного замедляется со временем; таким образом, в прошлом день был короче. Это связано с приливным воздействием Луны на вращение Земли. Атомные часы показывают, что современные сутки длиннее примерно на 1,7 миллисекунды , чем столетие назад, [1] медленно увеличивая скорость, с которой UTC корректируется с помощью дополнительных секунд . Анализ исторических астрономических записей показывает тенденцию к замедлению; продолжительность суток увеличивалась примерно на 2,3 миллисекунды за столетие с 8-го века до н. э . [2]
Ученые сообщили, что в 2020 году Земля начала вращаться быстрее, после того как в предыдущие десятилетия она постоянно вращалась медленнее, чем 86 400 секунд в день. 29 июня 2022 года вращение Земли было завершено за 1,59 миллисекунды менее чем за 24 часа, установив новый рекорд. [3] Из-за этой тенденции инженеры по всему миру обсуждают «отрицательную дополнительную секунду» и другие возможные меры хронометража. [4]
Считается, что это увеличение скорости вызвано различными факторами, включая сложное движение расплавленного ядра, океанов и атмосферы, влияние небесных тел, таких как Луна, и, возможно, изменение климата, которое приводит к таянию льда на полюсах Земли. Массы льда объясняют форму Земли, представляющую собой сплющенный сфероид, выпирающий вокруг экватора. Когда эти массы уменьшаются, полюса отскакивают от потери веса, и Земля становится более сферической, что приводит к приближению массы к ее центру тяжести. Сохранение углового момента диктует, что масса, распределенная более близко вокруг ее центра тяжести, вращается быстрее. [5]
Среди древних греков , некоторые из пифагорейской школы верили во вращение Земли, а не в кажущееся суточное вращение небес. Возможно, первым был Филолай (470–385 до н.э.), хотя его система была сложной, включая контрземлю, ежедневно вращающуюся вокруг центрального огня. [6]
Более традиционную картину поддерживали Гикета , Гераклид и Экфант в четвертом веке до нашей эры, которые предполагали, что Земля вращается, но не предполагали, что Земля вращается вокруг Солнца. В третьем веке до нашей эры Аристарх Самосский предположил центральное место Солнца .
Однако Аристотель в четвертом веке до нашей эры критиковал идеи Филолая, как основанные на теории, а не на наблюдении. Он выдвинул идею сферы неподвижных звезд, вращающихся вокруг Земли. [7] Это было принято большинством тех, кто пришел позже, в частности Клавдием Птолемеем (II век нашей эры), который считал, что Земля будет опустошена штормами, если она будет вращаться. [8]
В 499 году нашей эры индийский астроном Арьябхата предположил, что сферическая Земля ежедневно вращается вокруг своей оси, и что видимое движение звезд является относительным движением, вызванным вращением Земли. Он привел следующую аналогию: «Точно так же, как человек в лодке, плывущий в одном направлении, видит неподвижные предметы на берегу движущимися в противоположном направлении, точно так же человеку на Ланке неподвижные звезды кажутся движущимися на запад». [9] [10]
В X веке некоторые мусульманские астрономы признали, что Земля вращается вокруг своей оси. [11] По словам аль-Бируни , ас-Сиджзи (около 1020 г. н. э.) изобрел астролябию под названием аз-зураки, основанную на идее, в которую верили некоторые из его современников, «что движение, которое мы видим, обусловлено движением Земли, а не движением неба». [12] [13] Распространенность этой точки зрения дополнительно подтверждается ссылкой из XIII века, в которой говорится: «По мнению геометров [или инженеров] ( мухандисин ), Земля находится в постоянном круговом движении, и то, что кажется движением небес, на самом деле вызвано движением Земли, а не звезд». [12] Трактаты были написаны для обсуждения этой возможности, либо как опровержения, либо как выражение сомнений относительно аргументов Птолемея против нее. [14] В обсерваториях Мараги и Самарканда вращение Земли обсуждалось Туси (родился в 1201 году) и Кушджи (родился в 1403 году); аргументы и доказательства, которые они использовали, напоминают те, которые использовал Коперник. [15]
В средневековой Европе Фома Аквинский принял точку зрения Аристотеля [16], а также, неохотно, Иоанн Буридан [17] и Николай Орем [18] в четырнадцатом веке. Только когда Николай Коперник в 1543 году принял гелиоцентрическую систему мира, начало устанавливаться современное понимание вращения Земли. Коперник указал, что если движение Земли является интенсивным, то движение звезд должно быть намного более интенсивным. Он признал вклад пифагорейцев и указал на примеры относительного движения. Для Коперника это был первый шаг в установлении более простой модели планет, вращающихся вокруг центрального Солнца. [19]
Тихо Браге , который провел точные наблюдения, на которых Кеплер основал свои законы движения планет , использовал работу Коперника в качестве основы системы, предполагающей неподвижность Земли. В 1600 году Уильям Гилберт решительно поддержал вращение Земли в своем трактате о магнетизме Земли [20] и тем самым оказал влияние на многих своих современников. [21] : 208 Тех, кто, подобно Гилберту, открыто не поддерживал и не отвергал движение Земли вокруг Солнца, называют «полукоперниканцами». [21] : 221 Спустя столетие после Коперника Риччоли оспаривал модель вращающейся Земли из-за отсутствия тогда наблюдаемых отклонений на восток в падающих телах; [22] такие отклонения позже будут названы эффектом Кориолиса . Однако вклад Кеплера, Галилея и Ньютона собрал поддержку теории вращения Земли.
Вращение Земли подразумевает, что экватор выпирает , а географические полюса сплющены. В своих Principia Ньютон предсказал, что это сплющивание составит одну часть к 230, и указал на маятниковые измерения, проведенные Рише в 1673 году, как на подтверждение изменения силы тяжести , [23] но первоначальные измерения длин меридианов Пикардом и Кассини в конце 17 века предполагали обратное. Однако измерения Мопертюи и Французской геодезической миссии в 1730-х годах установили сплющенность Земли , тем самым подтвердив положения как Ньютона, так и Коперника . [ 24]
В системе отсчета вращающейся Земли свободно движущееся тело следует кажущейся траектории, которая отклоняется от той, по которой оно следовало бы в фиксированной системе отсчета. Из-за эффекта Кориолиса падающие тела слегка отклоняются к востоку от вертикальной линии отвеса ниже точки их выпуска, а снаряды отклоняются вправо в Северном полушарии (и влево в Южном ) от направления, в котором они были выпущены. Эффект Кориолиса в основном наблюдается в метеорологическом масштабе, где он отвечает за противоположные направления вращения циклона в Северном и Южном полушариях (против часовой стрелки и по часовой стрелке соответственно).
Гук, следуя предложению Ньютона в 1679 году, безуспешно пытался проверить предсказанное отклонение на восток тела, сброшенного с высоты 8,2 метра , но окончательные результаты были получены позже, в конце 18-го и начале 19-го веков, Джованни Баттиста Гульельмини в Болонье , Иоганном Фридрихом Бензенбергом в Гамбурге и Фердинандом Райхом во Фрайберге , используя более высокие башни и осторожно отпускаемые грузы. [n 1] Шар, сброшенный с высоты 158,5 м, отклонился на 27,4 мм от вертикали по сравнению с расчетным значением 28,1 мм.
Самым знаменитым испытанием вращения Земли является маятник Фуко, впервые построенный физиком Леоном Фуко в 1851 году, который состоял из заполненной свинцом латунной сферы, подвешенной на высоте 67 м от вершины Пантеона в Париже. Из-за вращения Земли под качающимся маятником плоскость колебания маятника, по-видимому, вращается со скоростью, зависящей от широты. На широте Парижа предсказанное и наблюдаемое смещение составило около 11 градусов по часовой стрелке в час. Маятники Фуко теперь качаются в музеях по всему миру .
Период вращения Земли относительно Солнца ( от солнечного полдня до солнечного полдня) — это ее истинные солнечные сутки или видимые солнечные сутки . [26] Он зависит от орбитального движения Земли и, таким образом, зависит от изменений эксцентриситета и наклона орбиты Земли. Оба эти параметра меняются в течение тысяч лет, поэтому годовые изменения истинных солнечных суток также меняются. Как правило, они длиннее средних солнечных суток в течение двух периодов года и короче в течение других двух. [n 2] Истинные солнечные сутки имеют тенденцию быть длиннее вблизи перигелия , когда Солнце, по-видимому, движется вдоль эклиптики на больший угол, чем обычно, и на это уходит примерно на 10 секунд больше времени. И наоборот, они примерно на 10 секунд короче вблизи афелия . Они примерно на 20 секунд длиннее вблизи солнцестояния , когда проекция видимого движения Солнца вдоль эклиптики на небесный экватор заставляет Солнце двигаться на больший угол, чем обычно. Наоборот, вблизи равноденствия проекция на экватор короче примерно на 20 секунд . В настоящее время эффекты перигелия и солнцестояния объединяются, чтобы удлинить истинный солнечный день около 22 декабря на 30 средних солнечных секунд, но эффект солнцестояния частично компенсируется эффектом афелия около 19 июня , когда он всего на 13 секунд длиннее. Эффекты равноденствий сокращают его около 26 марта и 16 сентября на 18 секунд и 21 секунду соответственно. [27] [28]
Среднее значение истинных солнечных суток в течение всего года — это средние солнечные сутки , которые содержат 86 400 средних солнечных секунд. В настоящее время каждая из этих секунд немного длиннее секунды СИ , поскольку средние солнечные сутки Земли теперь немного длиннее, чем в 19 веке из-за приливного трения . Средняя продолжительность средних солнечных суток с момента введения високосной секунды в 1972 году была примерно на 0–2 мс длиннее 86 400 секунд СИ. [29] [30] [31] Случайные колебания из-за связи ядра и мантии имеют амплитуду около 5 мс. [32] [33] Средняя солнечная секунда между 1750 и 1892 годами была выбрана в 1895 году Саймоном Ньюкомбом в качестве независимой единицы времени в его Таблицах Солнца . Эти таблицы использовались для расчета мировых эфемерид между 1900 и 1983 годами, поэтому эта секунда стала известна как эфемеридная секунда . В 1967 году секунда СИ была сделана равной эфемеридной секунде. [34]
Кажущееся солнечное время является мерой вращения Земли, а разница между ним и средним солнечным временем известна как уравнение времени .
Период вращения Земли относительно Международной небесной системы отсчета , называемый Международной службой вращения Земли и систем отсчета (IERS) звездными сутками , составляет 86 164,098 903 691 секунд среднего солнечного времени (UT1) (23 ч 56 мин 4,098 903 691 с , 0,997 269 663 237 16 средних солнечных суток ). [35] [n 3] Период вращения Земли относительно прецессирующего среднего весеннего равноденствия , называемый звездными сутками , составляет 86 164,090 530 832 88 секунд среднего солнечного времени (UT1) (23 ч 56 мин 4,090 530 832 88 с , 0,997 269 566 329 08 средних солнечных суток ). [35] Таким образом, звездные сутки короче звездных примерно на 8,4 мс . [37]
Как звездные, так и сидерические сутки короче средних солнечных суток примерно на 3 минуты 56 секунд . Это результат того, что Земля совершает 1 дополнительный оборот относительно небесной системы отсчета, вращаясь вокруг Солнца (366,24 оборота/год). Средние солнечные сутки в секундах СИ доступны в IERS для периодов 1623–2005 [38] и 1962–2005 [39 ]
В последнее время (1999–2010 гг.) средняя годовая продолжительность средних солнечных суток, превышающая 86 400 секунд СИ, колебалась от 0,25 мс до 1 мс , что необходимо прибавить к звездным и сидерическим суткам, указанным выше в среднем солнечном времени, чтобы получить их продолжительность в секундах СИ (см. Колебания продолжительности суток ).
Угловая скорость вращения Земли в инерциальном пространстве составляет (7,292 115 0 ± 0,000 000 1) × 10−5 радиан в секунду СИ . [35] [n 4] Умножение на (180°/π радиан) × (86 400 секунд/день) дает 360,985 6 °/день , что указывает на то, что Земля вращается более чем на 360 градусов относительно неподвижных звезд за один солнечный день. Движение Земли по ее почти круговой орбите, когда она вращается один раз вокруг своей оси, требует, чтобы Земля вращалась немного больше одного раза относительно неподвижных звезд, прежде чем среднее Солнце сможет снова пройти над головой, даже если она вращается только один раз (360°) относительно среднего Солнца. [n 5] Умножение значения в рад/с на экваториальный радиус Земли 6 378 137 м ( эллипсоид WGS84 ) (множители 2π радиан, необходимые для обоих, сокращаются) дает экваториальную скорость 465,10 метров в секунду (1 674,4 км/ч). [40] Некоторые источники утверждают, что экваториальная скорость Земли немного меньше, или 1 669,8 км/ч . [41] Это получается путем деления экваториальной окружности Земли на 24 часа . Однако использование солнечных суток неверно; это должны быть сидерические сутки , поэтому соответствующая единица времени должна быть сидерическим часом. Это подтверждается путем умножения на количество сидерических суток в одних средних солнечных сутках, 1,002 737 909 350 795 , [35] что дает экваториальную скорость в средних солнечных часах, указанную выше, равную 1674,4 км/ч.
Тангенциальную скорость вращения Земли в точке на Земле можно приблизительно рассчитать, умножив скорость на экваторе на косинус широты. [42] Например, Космический центр Кеннеди расположен на широте 28,59° с.ш., что дает скорость: cos(28,59°) × 1674,4 км/ч = 1470,2 км/ч. Широта является фактором размещения для космодромов .
Вершина вулкана Каямбе является точкой поверхности Земли , наиболее удаленной от ее оси; таким образом, она вращается быстрее всего по мере вращения Земли. [43]
Ось вращения Земли движется относительно неподвижных звезд ( инерциальное пространство ); компонентами этого движения являются прецессия и нутация . Она также движется относительно земной коры; это называется полярным движением .
Прецессия — это вращение оси вращения Земли, вызванное в первую очередь внешними моментами от гравитации Солнца, Луны и других тел. Движение полюсов в первую очередь обусловлено свободной нутацией ядра и чандлеровским колебанием .
За миллионы лет вращение Земли значительно замедлилось из-за приливного ускорения через гравитационное взаимодействие с Луной. Таким образом, угловой момент медленно передается Луне со скоростью, пропорциональной , где - радиус орбиты Луны. Этот процесс постепенно увеличил продолжительность дня до ее текущего значения и привел к тому, что Луна оказалась приливно запертой с Землей.
Это постепенное замедление вращения эмпирически документировано оценками продолжительности дня, полученными из наблюдений за приливными ритмитами и строматолитами ; компиляция этих измерений [44] обнаружила, что продолжительность дня неуклонно увеличивалась с примерно 21 часа 600 млн лет назад [45] до текущего 24-часового значения. Подсчитывая микроскопические пластинки, которые образуются при более высоких приливах, можно оценить приливные частоты (и, следовательно, продолжительность дня), во многом подобно подсчету колец деревьев, хотя эти оценки могут быть все более ненадежными в более старшем возрасте. [46]
Текущая скорость приливного замедления аномально высока, что означает, что скорость вращения Земли должна была уменьшаться медленнее в прошлом. Эмпирические данные [44] предварительно показывают резкое увеличение замедления вращения около 600 млн лет назад. Некоторые модели предполагают, что Земля поддерживала постоянную продолжительность дня в 21 час на протяжении большей части докембрия . [45] Эта продолжительность дня соответствует полусуточному резонансному периоду термически обусловленного атмосферного прилива ; при этой продолжительности дня замедляющий лунный момент мог быть отменен ускоряющим моментом от атмосферного прилива, что привело к отсутствию чистого момента и постоянному периоду вращения. Этот стабилизирующий эффект мог быть нарушен внезапным изменением глобальной температуры. Недавние вычислительные моделирования подтверждают эту гипотезу и предполагают, что оледенения Марино или Стерта нарушили эту стабильную конфигурацию около 600 млн лет назад; результаты моделирования довольно хорошо согласуются с существующими палеоротационными данными. [47]
Некоторые недавние крупномасштабные события, такие как землетрясение в Индийском океане в 2004 году , привели к сокращению продолжительности дня на 3 микросекунды за счет уменьшения момента инерции Земли . [48] Послеледниковый отскок , продолжающийся с последнего ледникового периода , также изменяет распределение массы Земли, тем самым влияя на момент инерции Земли и, посредством сохранения углового момента , на период вращения Земли. [49]
На продолжительность дня также могут влиять искусственные сооружения. Например, ученые НАСА подсчитали, что вода, хранящаяся в плотине Три ущелья, увеличила продолжительность земных суток на 0,06 микросекунды из-за смещения массы. [50]
Первичный мониторинг вращения Земли осуществляется с помощью интерферометрии со сверхдлинной базой, скоординированной с Глобальной системой позиционирования , спутниковой лазерной локацией и другими методами спутниковой геодезии . Это обеспечивает абсолютную точку отсчета для определения всемирного времени , прецессии и нутации . [51] Абсолютное значение вращения Земли, включая UT1 и нутацию, можно определить с помощью космических геодезических наблюдений, таких как интерферометрия со сверхдлинной базой и лунная лазерная локация , тогда как их производные, обозначенные как превышение длины дня и скорости нутации, можно получить из спутниковых наблюдений, таких как GPS , ГЛОНАСС , Galileo [52] и спутниковой лазерной локации до геодезических спутников. [53]
Имеются зарегистрированные наблюдения солнечных и лунных затмений вавилонскими и китайскими астрономами, начиная с 8-го века до н. э., а также средневековым исламским миром [54] и другими. Эти наблюдения можно использовать для определения изменений во вращении Земли за последние 27 столетий, поскольку продолжительность дня является критическим параметром при расчете места и времени затмений. Изменение продолжительности дня на миллисекунды за столетие проявляется как изменение часов и тысяч километров в наблюдениях за затмениями. Древние данные согласуются с более коротким днем, что означает, что Земля вращалась быстрее на протяжении всего прошлого. [55] [56]
Примерно каждые 25–30 лет вращение Земли временно замедляется на несколько миллисекунд в день, обычно это длится около пяти лет. 2017 год стал четвертым годом подряд, когда вращение Земли замедлилось. Причина этой изменчивости пока не определена. [57]
Первоначальное вращение Земли было остатком первоначального углового момента облака пыли , камней и газа , которые объединились, чтобы сформировать Солнечную систему . Это первичное облако состояло из водорода и гелия , образовавшихся в Большом взрыве , а также более тяжелых элементов, выброшенных сверхновыми . Поскольку эта межзвездная пыль неоднородна, любая асимметрия во время гравитационной аккреции привела к угловому моменту конечной планеты. [58]
Однако, если гипотеза гигантского удара о происхождении Луны верна, эта изначальная скорость вращения была бы сброшена ударом Тейи 4,5 миллиарда лет назад. Независимо от скорости и наклона вращения Земли до удара, она бы испытала день длиной около пяти часов после удара. [59] Приливные эффекты затем замедлили бы эту скорость до ее современного значения.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )