Форма и движения Земли

Земля одновременно совершает два движения: вращается вокруг своей оси и движется по орбите вокруг Солнца. Смена дня и ночи, времена года, пояса освещённости, полярный день и полярная ночь, разница местного времени, отклонение ветров — всё это результат этих двух движений и наклона земной оси. Тема — основа для понимания климата, природных зон и счёта времени. На экзамене нужно правильно связывать причину и следствие, знать важные даты и вычислять полуденную высоту Солнца.

§1. Солнечная система и форма Земли

Солнце — звезда средней величины, в нём сосредоточена почти вся масса Солнечной системы. Вокруг него обращаются восемь планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс (планеты земной группы), Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (планеты-гиганты). Земля — третья планета от Солнца, в среднем примерно в 150 млн км от него.
Луна — естественный спутник Земли, примерно в 384 тыс. км; обращается вокруг Земли примерно за 27,3 суток и всегда обращена к ней одной стороной. Притяжение Луны вызывает в океанах приливы и отливы.
Форма Земли — геоид: шар, слегка сплюснутый у полюсов. Сплюснутость — следствие вращения Земли.

Из-за шарообразности Земли солнечные лучи падают на разные широты под разными углами — это главная причина различий в распределении тепла.

§2. Вращение вокруг оси

Земля вращается с запада на восток (против часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса) и совершает оборот примерно за 24 часа. Поэтому Солнце, Луна и звёзды как бы восходят на востоке и заходят на западе.
Следствия:

• Смена дня и ночи — поверхность равномерно нагревается и остывает, ритм жизни приспособлен к этому.
• Сила Кориолиса: движущиеся тела (ветры, течения, речная вода) в Северном полушарии отклоняются вправо, в Южном — влево. Поэтому в Северном полушарии сильнее подмывается правый берег рек, а пассаты дуют с северо-востока.
• Сплюснутость Земли у полюсов.
• Зависимость местного времени от долготы: 360° за 24 часа — значит, 15° за 1 час, 1° за 4 минуты.

Пример

Длина экватора около 40 075 км. С какой скоростью движется точка на экваторе из-за вращения Земли?

1. За 24 часа точка проходит путь, равный длине экватора.
2. Скорость: 40 075 / 24 ≈ 1670 км/ч.
3. Ответ: около 1670 км/ч; к полюсам скорость уменьшается, на полюсе равна нулю.

§3. Обращение вокруг Солнца

Земля обходит Солнце по эллиптической орбите примерно за 365 суток 6 часов. В календарном году 365 дней, поэтому лишние 6 часов за 4 года складываются в сутки — этот год високосный (366 дней, в феврале 29 дней).
Земная ось наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5° (отклонение оси от перпендикуляра к плоскости орбиты — 23,5°) и при движении сохраняет направление в пространстве. Поэтому в течение года к Солнцу больше «повёрнуто» то Северное, то Южное полушарие.

Доказательство: ближе всего к Солнцу Земля в начале января, дальше всего — в начале июля, но в Северном полушарии январь — зима, июль — лето.

§4. Важные даты

• 21 марта — весеннее равноденствие; в полдень Солнце в зените над экватором; на всей Земле день равен ночи (по 12 часов).
• 22 июня — летнее солнцестояние: Солнце в зените над Северным тропиком (23,5° с. ш.); в Северном полушарии самый длинный день и самая короткая ночь; севернее Северного полярного круга — полярный день.
• 23 сентября — осеннее равноденствие; Солнце снова в зените над экватором.
• 22 декабря — зимнее солнцестояние: Солнце в зените над Южным тропиком (23,5° ю. ш.); в Северном полушарии самый короткий день; севернее Северного полярного круга — полярная ночь.

В Южном полушарии времена года противоположны: 22 декабря там начинается лето.

Продолжительность дня зависит от широты: на экваторе день и ночь круглый год почти равны (около 12 часов), к полюсам летний день удлиняется, а зимний укорачивается. В Ташкенте летом день длится около 15 часов, зимой — около 9 часов. По орбите Земля движется со скоростью около 30 км в секунду, но мы этого не ощущаем.

Пример

Какое явление наблюдается 22 июня на 70° с. ш.?

1. 70° > 66,5° — точка севернее Северного полярного круга.
2. 22 июня Северное полушарие получает больше всего солнечного света, севернее полярного круга Солнце не опускается за горизонт.
3. Ответ: полярный день — Солнце не заходит.

§5. Пояса освещённости

Тропики (±23,5°) и полярные круги (±66,5°) делят Землю на 5 поясов освещённости:

• Жаркий пояс (между тропиками) — Солнце бывает в зените один (на тропиках) или два раза в год; круглый год жарко.
• Два умеренных пояса (между тропиком и полярным кругом) — Солнце никогда не бывает в зените; чётко выражены четыре сезона. Узбекистан — в Северном умеренном поясе.
• Два холодных пояса (от полярных кругов до полюсов) — бывают полярный день и полярная ночь. На полярном круге они длятся одни сутки, к полюсу удлиняются, а на самом полюсе продолжаются около полугода.

Эти числа вытекают из угла наклона оси.

§6. Полуденная высота Солнца

Полуденная высота Солнца (h) — угол между солнечным лучом и горизонтом. Для умеренных широт Северного полушария:

Здесь φ — широта места. Чем выше Солнце, тем отвеснее падают лучи и тем сильнее нагревается поверхность.

Пример

Найдите полуденную высоту Солнца в Ташкенте (φ ≈ 41° с. ш.) 21 марта, 22 июня и 22 декабря.

1. 21 марта: 90 − 41 = 49°.
2. 22 июня: 90 − 41 + 23,5 = 72,5°.
3. 22 декабря: 90 − 41 − 23,5 = 25,5°.
4. Ответ: 49°, 72,5°, 25,5° — летом Солнце стоит на 47° выше, чем зимой, поэтому летом жарко.

Проверьте себя

1. Главная причина смены времён года?

2. Куда отклоняется ветер в Северном полушарии?

3. Над какой параллелью Солнце в зените 22 декабря?

4. Полуденная высота Солнца на 30° с. ш. в день равноденствия?

5. Бывает ли Солнце в зените в умеренном поясе?

6. Зачем нужен високосный год?

7. Полуденная высота Солнца 22 июня на 50° с. ш.?

8. Начиная с каких широт бывают полярный день и полярная ночь?

Типичные ошибки

• Объяснять смену сезонов приближением Земли к Солнцу — летом Северного полушария Земля даже немного дальше от Солнца.
• Путать углы наклона оси: к плоскости орбиты 66,5°, от перпендикуляра 23,5°.
• Путать широты тропиков и полярных кругов: тропик — 23,5°, полярный круг — 66,5°.
• Писать, что Земля вращается с востока на запад — она вращается с запада на восток.
• Прибавлять 23,5° в формуле для 22 декабря — зимой их вычитают.