Вращение Земли или вращение Земли — это вращение планеты Земля вокруг собственной оси , а также изменение ориентации оси вращения в пространстве. Земля вращается на восток , поступательно . 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 встречается с ее поверхностью. Эта точка отличается от Северного магнитного полюса Земли . Южный полюс — еще одна точка, где ось вращения Земли пересекает ее поверхность, в Антарктиде .
Земля вращается один раз примерно за 24 часа относительно Солнца и один раз каждые 23 часа, 56 минут и 4 секунды относительно других далеких звезд (см. ниже). Вращение Земли со временем немного замедляется; таким образом, в прошлом день был короче. Это связано с приливным воздействием Луны на вращение Земли . Атомные часы показывают, что современный день длиннее примерно на 1,7 миллисекунды , чем сто лет назад, [1] медленно увеличивая скорость, с которой UTC корректируется на дополнительные секунды . Анализ исторических астрономических записей показывает тенденцию к замедлению; продолжительность дня увеличивалась примерно на 2,3 миллисекунды за столетие, начиная с 8-го века до нашей эры . [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 завершилось за 1,59 миллисекунды менее чем за 24 часа, установив новый рекорд. [3] Из-за этой тенденции инженеры во всем мире обсуждают «отрицательную дополнительную секунду» и другие возможные меры хронометража. [4]
Считается, что это увеличение скорости связано с различными факторами, включая сложное движение расплавленного ядра, океанов и атмосферы, влияние небесных тел, таких как Луна, и, возможно, изменение климата, которое вызывает появление льда на полюсах Земли. плавиться. Массы льда придают Земле форму сплюснутого сфероида, выпирающего 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 требует, чтобы масса, более близко расположенная к центру тяжести, вращалась быстрее. [5]
Среди древних греков некоторые представители пифагорейской школы верили в вращение Земли, а не в кажущееся суточное вращение небес. Возможно, первым был Филолай (470–385 гг. до н.э.), хотя его система была сложной, включая противоземлю, ежедневно вращающуюся вокруг центрального огня. [6]
Более традиционную картину поддерживали Гикет , 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 наблюдениях. Он установил идею сферы неподвижных звезд, вращающихся вокруг Земли. [7] Это было принято большинством тех, кто пришел после, в частности Клавдием Птолемеем (2 век н.э.), который думал, 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 представляет собой относительное движение, вызванное вращением Земли. Он привел следующую аналогию: «Подобно тому, как человек в лодке, идущий в одном направлении, видит, что неподвижные предметы на берегу движутся в противоположном направлении, так и человеку на Ланке кажется, что неподвижные звезды движутся на запад. " [9] [10]
В 10 веке некоторые мусульманские астрономы признали, что Земля вращается вокруг своей оси. [11] Согласно аль-Бируни , аль-Сиджи (ок. 1020 г.) изобрел астролябию под названием аз-Зураки , основываясь на идее, которой верили некоторые из его современников, «что движение, которое мы видим, обусловлено движением Земли, а не движением Земли». небо." [12] [13] Распространенность этой точки зрения дополнительно подтверждается ссылкой из 13-го века, в которой говорится: «По мнению геометров [или инженеров] ( мухандисин ), Земля находится в постоянном круговом движении, и то, что кажется движение небес на самом деле происходит из-за движения Земли, а не звезд». [12] Трактаты были написаны для обсуждения его возможности, либо в качестве опровержений, либо выражая сомнения в аргументах Птолемея против него. [14] В Марагинской и Самаркандской обсерваториях вращение Земли обсуждали Туси (род. 1201) и Кушджи (род. 1403); аргументы и доказательства, которые они использовали, напоминают те, которые использовал Коперник. [15]
В средневековой Европе точку зрения Аристотеля принял Фома Аквинский [16] , а также, неохотно, Джон Буридан [17] и Николь Орем [18] в четырнадцатом веке. Только когда Николай Коперник в 1543 году принял гелиоцентрическую мировую систему, современное понимание вращения Земли начало формироваться. Коперник указывал, что если движение Земли является сильным, то движение звезд должно быть еще более сильным. Он признал вклад пифагорейцев и указал на примеры относительного движения. Для Коперника это был первый шаг к установлению более простой схемы обращения планет вокруг центрального Солнца. [19]
Тихо Браге , который произвел точные наблюдения, на которых Кеплер основал свои законы движения планет , использовал работу Коперника как основу системы, предполагающей стационарную Землю. В 1600 году Уильям Гилберт в своем трактате о земном магнетизме [20] решительно поддержал вращение Земли и тем самым оказал влияние на многих своих современников. [21] : 208 Тех, кто, как Гилберт, 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 наблюдаемых тогда отклонений на восток падающих тел; [22] такие отклонения позже будут названы эффектом Кориолиса . Однако вклад Кеплера, Галилея и Ньютона собрал поддержку теории вращения Земли.
Вращение Земли означает, что экватор выпуклый , а географические полюса сплющены. В своих «Началах» Ньютон предсказал, что это уплощение составит одну часть из 230, и указал на измерения маятника , сделанные Ричером в 1673 году, как на подтверждение изменения гравитации , [ 23] но первоначальные измерения длин меридианов Пикардом и Кассини в конца 17 века предполагали обратное. Однако измерения Мопертюи и Французской геодезической миссии в 1730-х годах установили сжатие Земли , тем самым подтвердив позиции как Ньютона, так и Коперника . [24]
Во вращающейся системе отсчета Земли свободно движущееся тело следует по видимому пути, который отклоняется от того, по которому оно следовало бы в фиксированной системе отсчета. Из-за эффекта Кориолиса падающие тела слегка отклоняются на восток от вертикальной линии отвеса ниже точки их выброса, 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 циклонов в северном и южном полушариях (против часовой стрелки и по часовой стрелке соответственно).
Гук по предложению Ньютона в 1679 году безуспешно пытался проверить предсказанное отклонение на восток тела, упавшего с высоты 8,2 метра , но окончательные результаты были получены позднее, в конце XVIII — начале XIX веков, Джованни Баттиста Гульельмини в Болонья , Иоганн Фридрих Бензенберг в Гамбурге и Фердинанд Райх во Фрайберге , используя более высокие башни и тщательно сбрасываемые гири. [n 1] Мяч, упавший с высоты 158,5 м, отклонился от вертикали на 27,4 мм по сравнению с расчетным значением 28,1 мм.
Самым знаменитым испытанием вращения Земли является маятник Фуко, впервые построенный физиком Леоном Фуко в 1851 году. Он представлял собой латунную сферу, наполненную свинцом, подвешенную на высоте 67 метров над вершиной Пантеона в Париже. Из-за вращения Земли под качающимся маятником кажется, что плоскость колебаний маятника 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 полудня до солнечного полудня) является ее истинным солнечным днем или видимым солнечным днем . [26] Это зависит от орбитального движения Земли и, таким образом, на него влияют изменения эксцентриситета и наклона орбиты Земли. Оба изменяются на протяжении тысячелетий, поэтому годовое изменение истинного солнечного дня также меняется. Обычно он длиннее среднего солнечного дня в течение двух периодов года и короче в течение еще двух. [n 2] Истинный солнечный день имеет тенденцию быть длиннее вблизи перигелия , когда Солнце, по-видимому, движется по эклиптике под большим углом, чем обычно, и на это уходит примерно на 10 секунд больше времени. И наоборот, вблизи афелия оно короче примерно на 10 секунд . Около солнцестояния оно примерно на 20 секунд дольше , когда проекция видимого движения Солнца по эклиптике на небесный экватор заставляет Солнце двигаться под большим углом, чем обычно. И наоборот, вблизи равноденствия проекция на экватор короче примерно на 20 секунд . В настоящее время эффекты перигелия и солнцестояния в совокупности удлиняют истинный солнечный день около 22 декабря на 30 средних солнечных секунд, но эффект солнцестояния частично компенсируется эффектом афелия около 19 июня , когда он длиннее всего на 13 секунд . Эффекты равноденствий сокращают его около 26 марта и 16 сентября на 18 секунд и 21 секунду соответственно. [27] [28]
Среднее значение истинного солнечного дня в течение всего года — это средний солнечный день , который содержит 86 400 средних солнечных секунд. В настоящее время каждая из этих секунд немного длиннее секунды СИ , потому что средний солнечный день на Земле теперь немного длиннее, чем в 19 веке, из-за приливного трения . Средняя продолжительность среднего солнечного дня с момента введения дополнительной секунды в 1972 году была примерно на 0–2 мс длиннее, чем 86 400 секунд СИ. [29] [30] [31] Случайные колебания, вызванные взаимодействием 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 в период с 1900 по 1983 год, поэтому эта секунда стала известна как эфемеридная секунда . В 1967 году секунда СИ была приравнена к эфемеридной секунде. [34]
Видимое солнечное время является мерой вращения Земли, и 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), ее звездным днем , составляет 86 164,098 903 691 секунды среднего солнечного времени (UT1) (23 часа 56 м 4,098 903 691 с) . , 0,997 269 663 237 16 средних солнечных дней ). [35] [n 3] Период вращения Земли относительно прецессирующего среднего весеннего равноденствия , называемый сидерическим днем , составляет 86 164,090 530 832 88 секунд среднего солнечного времени (UT1) (23 часа 56 м 4,090 530 832 88 с , 0,997 269 566 329 08 означают солнечные дни ). [35] Таким образом, звездные сутки короче звездных примерно на 8,4 мс . [37]
И звездный, и сидерический сутки короче средних солнечных суток примерно на 3 минуты 56 секунд . Это результат поворота Земли на 1 дополнительный оборот относительно небесной системы отсчета по мере ее обращения вокруг Солнца (то есть 366,24 оборота в год). Средний солнечный день в секундах СИ доступен в IERS за периоды 1623–2005 гг. [38] и 1962–2005 гг . [39]
Недавно (1999–2010 гг.) средняя годовая продолжительность среднего солнечного дня, превышающая 86 400 секунд СИ, варьировалась от 0,25 мс до 1 мс , что необходимо добавить как к звездным, так и к сидерическим дням, указанным выше в среднем солнечном времени, чтобы получить их значения. длины в секундах СИ (см. Колебания продолжительности дня ).
Угловая скорость вращения Земли в инерциальном пространстве равна (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 почти круговой орбите, в то время как она совершает один оборот вокруг своей оси, требует, чтобы Земля повернулась немного больше одного раза относительно неподвижных звезд, прежде чем среднее Солнце сможет снова пройти над головой, даже если оно повернется только один раз (360 °) относительно имею в виду Солнце. [n 5] Умножение значения в рад/с на экваториальный радиус Земли, равный 6 378 137 м ( эллипсоид WGS84 ) (коэффициенты 2π радиан, необходимые для обоих случаев, сокращают) дает экваториальную скорость 465,10 метра в секунду (1674,4 км/ч). [40] Некоторые источники утверждают, что экваториальная скорость Земли немного меньше — 1669,8 км/ч . [41] Это значение получается путем деления экваториальной окружности Земли на 24 часа . Однако использование солнечного дня неверно; это должен быть звездный день , поэтому соответствующей единицей времени должен быть звездный час. Это подтверждается умножением на число звездных дней в одном среднем солнечном дне, 1,002 737 909 350 795 , [35] что дает приведенную выше экваториальную скорость в средних солнечных часах 1674,4 км/ч.
Тангенциальную скорость вращения Земли в какой-либо точке Земли можно приблизительно определить, умножив скорость на экваторе на косинус широты. [42] Например, Космический центр Кеннеди расположен на широте 28,59° северной широты, что дает скорость: cos(28,59°) × 1674,4 км/ч = 1470,2 км/ч. Широта учитывается при размещении космопортов .
Пик вулкана Каямбе — это точка поверхности Земли , наиболее удаленная от ее оси; таким образом, он вращается быстрее всего при вращении Земли. [43]
Ось вращения Земли движется относительно неподвижных звезд ( инерционное пространство ); составляющими этого движения являются прецессия и нутация . Он также движется относительно земной коры; это называется полярным движением .
Прецессия — это вращение оси вращения Земли, вызванное, прежде всего, внешними моментами гравитации Солнца, Луны и других тел. Полярное движение происходит главным образом из-за свободной нутации ядра и чандлеровского колебания .
За миллионы лет вращение Земли значительно замедлилось из-за приливного ускорения из-за гравитационного взаимодействия с Луной. Таким образом, угловой момент медленно передается Луне со скоростью, пропорциональной , где – радиус орбиты Луны. Этот процесс постепенно увеличил продолжительность дня до нынешнего значения и привел к приливному сближению Луны с Землей.
Это постепенное замедление вращения эмпирически документировано оценками продолжительности дня, полученными из наблюдений за приливными ритмитами и строматолитами ; компиляция этих измерений [44] показала, что продолжительность дня неуклонно увеличивалась примерно с 21 часа 600 млн лет назад [45] до нынешнего 24-часового значения. Подсчитав микроскопические пластинки, образующиеся во время более высоких приливов, можно оценить частоту приливов (и, следовательно, продолжительность дня) так же, как подсчет годичных колец, хотя в более старшем возрасте эти оценки могут быть все более ненадежными. [46]
Текущая скорость приливного замедления аномально высока, что означает, что скорость вращения Земли в прошлом должна была снижаться медленнее. Эмпирические данные [44] ориентировочно показывают резкое увеличение замедления вращения около 600 млн лет назад. Некоторые модели предполагают, что на протяжении большей части докембрия Земля поддерживала постоянную продолжительность дня в 21 час . [45] Эта продолжительность дня соответствует полусуточному резонансному периоду термического атмосферного прилива ; при такой длине дня тормозящий лунный крутящий момент мог быть нейтрализован ускоряющим крутящим моментом атмосферного прилива, что привело бы к отсутствию чистого крутящего момента и постоянному периоду вращения. Этот стабилизирующий эффект мог быть нарушен внезапным изменением глобальной температуры. Недавнее компьютерное моделирование подтверждает эту гипотезу и предполагает, что мариноанское или стуртовское оледенение нарушило эту стабильную конфигурацию около 600 млн лет назад; результаты моделирования довольно близко согласуются с существующими палеоротационными данными. [47]
Некоторые недавние крупномасштабные события, такие как землетрясение в Индийском океане в 2004 году , привели к сокращению продолжительности суток на 3 микросекунды за счет уменьшения момента инерции Земли . [48] Послеледниковый отскок , продолжающийся со времен последнего ледникового периода , также меняет распределение массы Земли, тем самым влияя на момент инерции Земли и, благодаря сохранению углового момента , на период вращения Земли. [49]
На продолжительность дня также могут влиять рукотворные сооружения. Например, ученые НАСА подсчитали, что вода, хранящаяся в плотине «Три ущелья», увеличила продолжительность земного дня 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 локации и других методов спутниковой геодезии . Это обеспечивает абсолютную основу для определения всемирного времени , прецессии и нутации . [51] Абсолютную величину 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, обозначаемые как превышение длины дня и скорость нутации, могут быть получены на основе спутниковых наблюдений, таких как GPS , ГЛОНАСС , Galileo [52] и спутниковой лазерной локации до геодезических спутников. [53]
Есть зарегистрированные наблюдения солнечных и лунных затмений вавилонскими и китайскими астрономами , начиная с 8-го века до нашей эры, а также из средневекового исламского мира [54] и других мест. Эти наблюдения можно использовать для определения изменений вращения Земли за последние 27 столетий, поскольку длина дня является важнейшим параметром при расчете места и времени затмений. Изменение продолжительности дня на миллисекунды за столетие проявляется в наблюдениях затмений как изменение часов и тысяч километров. Древние данные согласуются с более коротким днем, а это означает, что Земля в прошлом вращалась быстрее. [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 результате Большого взрыва , а также из более тяжелых элементов, выброшенных сверхновыми . Поскольку эта межзвездная пыль неоднородна, любая асимметрия во время гравитационной аккреции привела к изменению углового момента будущей планеты. [58]
Однако, если гипотеза происхождения Луны о гигантском ударе верна, эта первоначальная скорость вращения была бы сброшена в результате удара Тейи 4,5 миллиарда лет назад. Независимо от скорости и наклона вращения Земли до удара, после удара пройдут сутки примерно через пять часов. [59] Приливные эффекты тогда замедлили бы эту скорость до современного значения.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )