какие наблюдения доказывают что земля движется вокруг солнца

Движение Земли вокруг Солнца и его географические следствия. Урок 10

Почему бывает лето и зима? По какой причине они не на всей Земле сменяют друг друга: на экваторе всегда тепло, а в Арктике и Антарктике никогда не тает лёд? Почему на экваторе день всегда имеет одинаковую продолжительность, при движении к полюсам его длительность изменяется, а на полюсах он длится полгода? Узнать это нам поможет тема сегодняшнего урока: движение Земли вокруг Солнца.

Другое название этого типа перемещения Земли – орбитальное. Орбиты – это траектории, по которым движутся в космическом пространстве Солнце, все другие звёзды, планеты, кометы, а также искусственные космические аппараты (последнее относится только к пассивному движению аппаратов, с выключенным двигателем). Большинство тел Солнечной системы движется по эллиптическим орбитам, только кометы обращаются по параболическим или гиперболическим орбитам.

Орбита земли

Орбита Земли тоже в первом приближении имеет форму эллипса, она удалена от Солнца в среднем на 150 млн. км, в астрономии эта величина принята в качестве единицы длины (астрономической единицы – а.е.). Если принять то, что орбита эллиптическая, тогда она описывается законами Кеплера. В ближайшей к Солнцу точке орбиты (перигелии, со 2 по 5 января) расстояние от Земли до Солнца равно 147 млн. км, в наиболее удалённой точке орбиты (в афелии, с 1 по 5 июля) расстояние увеличивается до 152 млн. км.

На самом деле расстояние до Солнца меняется не только в течение года, но и периодами в десятки тысяч лет и форма орбиты несколько отходит от эллипса. Длина орбиты Земли составляет 934 млн. км, движение Земли вокруг Солнца совершается со средней скоростью в 29,8 км/с, чем ближе Земля подходит к Солнцу, тем быстрее она движется. Полный оборот Земля совершает за 365 сут. 6 ч 9 мин., 9,6 сек. Этот промежуток времени называется звёздным сидерическим годом.

Орбита каметы Галлея
Автор: Rursus

Движение Земли вокруг Солнца совершается против часовой стрелки, в том же направление происходит и вращение Земли вокруг своей оси. Ось вращения Земли длительное время сохраняет практически неизменное направление в пространстве – на Полярную звезду (Северный полюс мира). Но примерно через 13 тыс. лет Северный полюс мира будет смотреть на другую звезду – Вегу. И лето в Северном полушарии будет приходиться на декабрь, январь и февраль.

Доказательства движения Земли вокруг Солнца

Впервые предположение о том, что Земля движется вокруг Солнца по орбите высказал древнегреческий астроном Аристарх Самосский в III в. до н. э. Но этой идее не дали развиться контраргументы слишком влиятельных соперников: Аристотеля, Птолемея и Платона. Долгие столетия господствовала геоцентрическая система мира, вплоть до работ Коперника 1534 года. С этого периода стали укореняться мысли о наличии орбитального движения Земли.

Сравнение геоцентрической и гелиоцентрической систем
Автр: Оригинальный образ Нико Ланга

Доказательствами того, что движение Земли вокруг Солнца существует являются:

Параллактическое смещение звёзд

Годичные параллаксы звёзд – изменение местоположения наблюдаемой звезды, объясняющееся изменением положения наблюдателя вследствие вращения Земли вокруг Солнца. Это смещение незаметно невооружённому глазу, так как звёзды удалены от нас на очень большие расстояния.

Параллакс близких звёзд на фоне далёких
Автор: Rasbak CC BY-SA 3.0

Для наблюдения за этим явлениям ранее использовали прибор гелиометр. В начале XX в. Фрэнком Шлезингером была разработана стандартная методика определения параллаксов способом фотографирования.

Современные способы измерения координат звёзд – космические телескопы и сверхдальная радиоинтерферометрия.

Франгоферовский гелиометр
Автор: Артур от Auwers

Движение Земли вокруг Солнца доказывает годичное аберрационное смещение звёзд

Аберрация – угол между наблюдаемым (видимым) и истинным направлением на светило. Годичное аберрационное смещение звёзд было открыто в 1728 году английским астрономом Дж. Брадлеем.

Дело в том, что пока свет от звезды доходит до окуляра прибора, наблюдатель вместе с прибором перемещается по орбите вокруг Солнца. Чтобы свет от звезды попал в объектив, нужно направить прибор не на истинное направление на звезду, а на расчетное.

Звёздная аберрация
Автор: Варит ohare CC BY-SA 3.0

Эклиптика

Нам кажется, что Солнце перемещается по небосводу, на самом деле это Земля вращается вокруг своей оси. Путь, который Солнце за год проходит по видимой части атмосферы, называют эклиптикой. Эклиптика – это сечение небесной сферы плоскостью земной орбиты. Небесный экватор – линия пересечения плоскости земного экватора с небесной сферой.

Эклиптика с небесным экватором в современную эпоху образует угол 23°27′. Места их пересечения называются точками весеннего и осеннего равноденствий. В этих точках Солнце бывает 20 либо 21 марта и 23 сентября.

Небесная сфера, небесный экватор, полюса, эклиптика
Автор: S.fonsi, Soued031 — Globus von Globe Atlantic.svg, sonst eigene Arbeit, CC BY-SA 3.0

Промежуток времени между двумя прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия называется тропическим годом. Тропический год на 20 мин. 24 сек. короче звёздного, т. к. точка весеннего равноденствия движется навстречу годовому движению Солнца.

Географические следствия движения Земли вокруг Солнца

Географическими следствиями годового движения Земли являются:

Высота Солнца над горизонтом меняется в течение года, высшая точка солнцестояния называется зенитом. Зенит – это положение Солнца под прямым углом к месту наблюдения.

Солнечный зенит
Автор: Kirill Borisenko, CC BY-SA 4.0

Положение Солнца на небосводе позволило выделить на Земле важные параллели:

22 декабря Солнце в зените на Южном тропике и лето наступает в Южном полушарии, а в Северном полушарии – зима. 22 декабря в Северном полушарии бывает самый короткий день, поэтому его называют днём зимнего солнцестояния. День зимнего солнцестояния – начало астрономической зимы в Северном полушарии. Область около Южного полюса, ограниченная Южным полярным кругом, освещается незаходящим Солнцем.

В Северном полушарии за Северным полярным кругом начинается полярная ночь. Продолжительность её разная на разных широтах и увеличивается от полярного круга до полюса от одного дня до полугода. День в Северном полушарии теперь короче ночи. Например, продолжительность дня в Москве равна 7 часам.

Движение Земли вокруг Солнца — одна из причин появления тепловых поясов, или поясов освещения

По высоте Солнца над горизонтом и продолжительности освещения на Земле выделяют пояса освещённости, или астрономические тепловые пояса, их 5:

Границей между ними служат полярные круги и тропики. В жарком поясе, расположенном между тропиками Солнце всегда высоко стоит над горизонтом, а дважды в год оно бывает в зените и нагревает земную поверхность, поэтому температура воздуха там всегда высокая. Продолжительность дня в жарком поясе изменяется мало (от 11 до 13 часов). На линии тропиков Солнце стоит в зените только один раз в году: на Северном тропике (тропике Рака) 22 июня, на Южном тропике (тропике Козерога) – 22 декабря.

Между тропиками и полярными кругами расположены умеренные пояса. В умеренных поясах Солнце никогда не бывает в зените, но угол падения солнечных лучей зимой и летом очень отличается, поэтому чётко выражена смена времён года. Однако в течение суток обязательно бывает смена дня и ночи.

Между полярными кругами и полюсами расположены два холодных пояса. В холодных поясах температуры всегда низкие и наблюдаются явления полярного дня и полярной ночи.

Таблица 1. Продолжительность полярного дня и полярной ночи на разных широтах Северного полушария (в сутках)

Положение тропиков и полярных кругов не остаётся постоянным, оно изменяется в зависимости от смещения плоскости наклона орбиты Земли. Плоскость земной орбиты колеблется в пространстве и за 40 000 лет наклон к экватору изменяется от 24°36′ до 21°58′. Это сопровождается расширением и сужением поясов освещения. Если бы ось Земли была перпендикулярна плоскости орбиты, то пояса не выделялись бы вовсе. Если бы ось Земли была вертикальной, то в каждой точке Земли было бы одно и то же время года, один сезон: на экваторе всегда лето, на полюсах лютая зима, а в умеренных широтах весна или осень.

Движение Земли вокруг Солнца и смена времен года

Движение Земли вокруг Солнца – важная причина смены времён года, вторая важная причина – это угол наклона оси вращения Земли к её орбите. Если бы наклона небыло, времена года в каждой точке Земли были бы постоянными.

Продолжительность светового дня и смена времён года тесно связаны. Чем длиннее день, тем больше солнечного тепла получает поверхность Земли. В природе изменение количества солнечного тепла вызывает смену времён года.

Наклон земной оси — главная причина смены времён года
Автор: North_season.jpg: Tauʻolunga derivative work: Q Valda (talk) — North_season.jpg, CC BY-SA 2.5

Времена года – четыре периода, отличающиеся погодными условиями: весна, лето, осень и зима. Причиной сезонных изменений погоды является наклон оси вращения Земли к плоскости её орбиты, в результате чего Земля в течение года наклоняется к Солнцу то Северным полушарием, то Южным. Поэтому деление года на четыре сезона имеет строгую астрономическую основу.

За начало весны в Северном полушарии Земли астрономы принимают момент весеннего равноденствия, т. е. момент, когда Солнце, двигаясь по эклиптике, переходит из южного полушария небесной сферы в северное, пересекая небесный экватор в точке весеннего равноденствия. По современному календарю это случается 20, либо 21 марта.

В день весеннего равноденствия, так же как и в день осеннего равноденствия, по всей Земле продолжительность дня равна продолжительности ночи. Весна в Северном полушарии длится до 21, либо до 22 июня (день летнего солнцестояния), когда Солнце достигает высшей точки эклиптики, проходя в полдень через зенит на широте Северного тропика и на широте Северного полярного круга единственный в году раз не заходит под горизонт. В это время в Северном полушарии Земли самый длинный день. По астрономическому календарю в Северном полушарии наступает лето, которое продолжается до 23 сентября – дня осеннего равноденствия. Затем лето сменяется осенью.

Концом осени в Северном полушарии астрономы считают 21, либо 22 декабря – день зимнего солнцестояния, когда Солнце опускается на эклиптике в самую нижнюю её точку. В день зимнего солнцестояния Солнце в полдень проходит через зенит на широте Южного тропика и единственный раз в году не заходит на широте Южного полярного круга. С этого момента до дня весеннего равноденствия в северном полушарии Земли стоит зима.

Долгота дня на экваторе Земли в течение всего года постоянна и равна продолжительности ночи. Здесь сезонные изменения погоды не связаны непосредственно с изменением склонения Солнца.

В Южном полушарии Земли сезоны сдвинуты на полгода: приход лета в северном полушарии знаменует наступление зимы в южном, осень северного полушария приходится на весну южного.

Эллиптичность орбиты Земли и неравномерность её обращения вокруг Солнца оказывает некоторое влияние на продолжительность времён года. Поскольку Земля подходит ближе всего к Солнцу в начале января и движется в это время быстрее всего, астрономическая зима в Северном полушарии длится 89 сут., а лето – 93,6 сут. В Южном полушарии соответственно зима оказывается несколько длиннее лета.

Гораздо более сильное влияние на сезонные изменения погоды оказывают не эллиптичность орбиты Земли, а тёплые и холодные течения, горы, преобладающие ветры. Поэтому в повседневной жизни чаще говорят о смене времён года не по астрономическим, а по природным признакам, пользуясь среднесуточными температурами.

Движение Земли вокруг Солнца и календарь

Календарь – это система исчисления промежутков времени, основанная на периодичности таких явлений природы, как смена дня и ночи, смена фаз Луны, смена времён года. Первое из этих явлений определяет меру времени – сутки; второе – синодический месяц, средняя продолжительность которого составляет 29,5306 сут.; третье – тропический год, равный в среднем 365,2422 сут.

Синодический месяц и тропический год не содержат целого числа средних солнечных суток. Таким образом, все эти три меры времени несоизмеримы, и невозможно достаточно просто выразить одну из них через другую. Трудно, например, подобрать некоторое точное число тропических годов, в которых бы содержалось целое число лунных месяцев и целое число суток.

Стремление хотя бы до некоторой степени согласовать между собой сутки, месяц и год привело к тому, что в разные эпохи, разными народами было создано много различных календарей, которые можно разделить на три главных типа:

В основе лунных календарей лежит продолжительность синодического месяца, в основе солнечных – продолжительность тропического года, а лунно-солнечные основаны на обоих этих периодах.

Лунный календарь

Родина лунного календаря – Вавилония. Год в этом календаре состоял из 12 лунных месяцев по 29 или по 30 дней. Мусульманский (магометанский) лунный календарь существует и в наше время в ряде арабских стран. Количество дней в месяцах в этом календаре меняется с таким расчетом, чтобы первое число месяца начиналось с появления на небе «нового месяца», т. е. в новолуние.

Продолжительность года – 354 или 355 средних солнечных суток, т. е. он короче солнечного года на 10 суток.

Лунно-солнечный календарь

Лунно-солнечный календарь более совершенный. В нём лунные месяцы приблизительно согласуются с солнечным годом. Один из первых таких календарей появился в начале I тысячелетия до новой эры, в Древней Греции. Год делился на 12 месяцев, каждый из которых начинался с новолуния. Для связи же с временами года (солнечным годом) периодически вставлялся дополнительный 13-й месяц. В настоящее время такая система сохранилась в еврейском календаре.

Солнечный календарь

Его основа – движение Земли вокруг Солнца. Один из первых солнечных календарей зародился в Древнем Египте за несколько тысячелетий до новой эры. Египтяне заметили, что наступление летнего солнцестояния связано с первым предутренним восходом Сириуса (созвездие Большого Пса), самой яркой звезды неба. Было замечено также, что предутренние восходы Сириуса приблизительно совпадают с началом разлива Нила. А для египтян разливы Нила имели исключительно важное значение, так как от них зависел урожай важнейших злаковых культур.

Древнеегипетский календарь из гробницы
Автор: NebMaatRa

Наблюдения появления Сириуса позволили определить продолжительность года, которая сначала была принята равной 360, а затем 365 сут.

На основе этих наблюдений был разработан календарь. Год делился на 12 месяцев по 30 дней в каждом. Год был разделён на 3 сезона по 4 месяца в каждом:

После уточнения продолжительности солнечного года дополнительные 5 дней добавлялись в конце года.

Солнечный календарь, которым пользуются большинство стран мира, ведёт свою родословную от календаря древних римлян. Точных сведений о зарождении римского календаря нет. Однако известно, что около VIII в. до н. э. римляне использовали календарь, в котором год состоял из 10 месяцев и содержал 304 дня. В VII в. до н. э. была произведена реформа римского календаря: к календарному году добавили ещё 2 месяца, а число дней увеличилось до 355. Но всё же календарный год был короче тропического более чем на 10 суток и календарные числа с каждым годом всё менее соответствовали явлениям природы.

Римский календарь
Автор: jacinta lluch valero, CC BY-SA 2.0

Чтобы устранить это несоответствие, каждые два года вставляли добавочный месяц, который содержал попеременно то 22, то 23 дня. Таким образом, каждое четырёхлетие состояло из двух годов по 355 дней и двух удлинённых годов (по 377 и по 378 дней). Средняя продолжительность календарного года за четырёхлетие составляла 366,25 сут., что больше продолжительности тропического года на сутки с лишним.

Чтобы избежать расхождения между календарными числами и явлениями природы, надо было время от времени изменять продолжительность добавочных месяцев. Это было обязанностью жрецов, которые часто злоупотребляли своей властью, произвольно удлиняя или укорачивая год. В результате календарная система оказалась настолько запутанной, что, например, праздник жатвы по календарю иногда приходилось отмечать не летом, а зимой.

Новая реформа римского календаря была произведена в 46 г. до новой эры – юлианский календарь. В нём три года подряд содержат по 365 суток (простой), а четвёртый – 366 сут. (високосный). Високосными считаются те годы, номера которых делятся на 4 без остатка. В високосном году в феврале 29 дней, в простом – 28. Продолжительность года в юлианском календаре в среднем за 4 года равна 365,25 средних солнечных суток, т.е. календарный год длинее тропического всего лишь на 0,0078 сут. За 128 лет это даёт расхождение в 1 сутки, а за 400 лет – около 3 суток. С течением времени календарь запаздывал всё больше и больше.

Весеннее равноденствие каждые 128 лет отступало по юлианскому календарю на 1 сут. и XVI в. перекочевало уже на 11 марта. Это осложняло расчеты церковных праздников, и тогдашний глава католической церкви Григорий XIII создал специальную комиссию. Она должна была исправить календарь так, чтобы весеннее равноденствие вернулось к 21 марта и больше не отставало от этой даты.

В 1582 г. было решено после четверга 4 октября пропустить в счету 10 суток и следующий день считать пятницей 15 октября, а в будущем соблюдать «правило високосов». Согласно этому правилу, «вековые» годы, оканчивающиеся на 2 нуля, являются високосными только в случае, если они делятся на 400. В противном случае, в отличие от юлианского календаря, они должны быть простыми. Так, 1600-й год – високосный, а 1700, 1800 и 1900-й – простые. Вот и получится, что за 400 лет из календаря исключается 3 сут.

Новая система календаря стала называться григорианским календарём или новым стилем. Григорианский календарь был введён в большинстве европейских стран в течение XVI – XVII вв.

В России на новый стиль перешли в 1918 г. В этом году по декрету Советского правительства вместо 1 февраля стали считать 14 февраля, так как расхождение юлианского и григорианского календарей к 1918 г. составило 13 сут.

Юлианский календарный год длиннее солнечного года почти на 11 ¼ мин., а григорианский – всего на 26 с. Лишние сутки накопятся только в 50-м веке новой эры. Для практических надобностей большей точности и не нужно.

Начало календарного года (Новый год) – понятие условное. В прошлом в некоторых странах Новый год начинался и 25 марта, и 25 декабря, и в другие дни. В Древней Руси год по языческим обычаям начинался весной, с тёплых мартовских дней, когда приступали к полевым работам. С введением христианства православная церковь приняла юлианский календарь и эру «от сотворения мира» («сотворение мира» христианская церковь приурочила к 5508 г. до рождества Христова), а начало года перенесли на 1 сентября.

По старинному обычаю и царь Пётр I встречал Новый год (7208 г. от «сотворения мира») 1 сентября. Но 19 декабря 7208 г. объявили царский указ: впредь лета считать не с 1 сентября, а с 1 января и не от «сотворения мира», а от рождества Христова.

Такая система счёта лет теперь принята большинством государств и называется нашей или новой эрой (н. э.).

Установление 12 месяцев в году и 7 дней в неделе имеет астрономическое обоснование, но, по сути дела, также является условным и сохраняется по традиции.

Это интересно

Служба времени – комплекс работ, связанных с определением, хранением и распространением точного времени. Службами времени также называют специальные лаборатории научно-исследовательских институтов, обсерваторий и других учреждений, которые выполняют эти работы. Возникла она в глубокой древности и существует по настоящее время. В России сегодня работает служба точного времени, в которую можно позвонить по номеру «100».

Зодиак

В своём годовом движении среди звёзд Солнце описывает на небесной сфере полную окружность – эклиптику. Перемещаясь по эклиптике, Солнце последовательно переходит из одного созвездия в другое, таких созвездий 13, они образуют так называемый пояс зодиака и называются зодиакальными. «Зодиак» – имеющий тот же корень, что нынешний «зоопарк»; по-русски его переводят как «круг животных». Большинство из зодиакальных созвездий действительно носят названия животных, остальным народная фантазия дала символические названия.

Ещё в древности все зодиакальные созвездия получили символические обозначения, которые употребляются до нашего времени. Символа нет только у созвездия Змееносец.

Вам будет интересно

Вспомните! Как доказать, что Земля шарообразна? Как развивались знания о форме Земли в процессе её…

Источник

Доказательства вращения Земли

Ярким доказательством вращения Земли вокруг своей оси явился опыт с маятником французского физика Фуко (длинный, гибкий подвес с тяжёлым грузом на конце), произведенный в 1851 году в Парижском Пантеоне. Этот опыт основан на том, что, как известно из физики, маятник, выведенный из положения равновесия, будет совершать колебания всё время в одном и том же направлении до полной остановки.

Иначе говоря, маятник обладает способностью сохранять плоскость своих колебаний неизменной.

Прибор простой конструкции

Это свойство маятника наглядно доказывается при помощи прибора простой конструкции, который доступно сделать каждому. Для этого нужно взять гибкий прутик, согнуть его в дугу и прикрепить концами к какому-либо кружку диаметром, например, около 50 сантиметров.

К верхней части дуги прикрепить нить с камешком и сообщить этому своеобразному маятнику колебание в некоторой плоскости. Легко поворачивая кружок, мы заметим, что маятник продолжает сохранять неизменным направление плоскости своего колебания.

Наблюдение опыта Фуко

При наблюдении опыта Фуко зрители легко могут убедиться в том, что Земля действительно вращается вокруг оси; с течением времени плоскость Земли, расположенная под маятником, поворачивается на некоторый угол от плоскости качания маятника, которая сохраняет и пространстве постоянное направление.

Угол поворота Земли

Угол поворота Земли относительно направления плоскости колебания маятника различен в зависимости от широты места, где этот опыт производится.

На полюсе угол этого отклонения будет за каждый час составлять 15 градусов, на экваторе нуль, а в широтах нашей страны от 9 до 14 градусов. Чем длиннее маятник, тем более заметным становится отклонение плоскости Земли от плоскости его колебания.

Длина маятника Фуко 60 метров. Маятник, подвешенный под куполом Исаакиевского собора в Ленинграде, имеет в длину 98 метров. Он непрерывно качается и каждым своим новым взмахом подтверждает вращение Земли.

Следствия вращения Земли

Доказано также, что вследствие вращения Земли:

Это также доказывает, что Земля вращается вокруг своей оси в направлении с запада на восток. Тела, падающие с высоты, отклоняются несколько к востоку потому, что линейная скорость на вершине башни, например, всегда больше, чем у поверхности Земли, а падая, эти тела сохраняют скорость, полученную ими в начальной точке падения.

Особенность вращения Земли

Теперь мы твёрдо убеждены, что наша Земля вращается подобно детской игрушке – волчку. Только, конечно, нам известно, что Земля, в сущности, очень большое мировое (небесное) тело и не имеет материальной оси, подобно той, которая есть у волчка.

Следует обратить внимание ещё на одну особенность вращения Земли. Как бы сильно мы волчок ни запускали, он рано или поздно перестанет вращаться и упадёт.

Это происходит оттого, что движение волчка всё время тормозится силой трения, действующей на нижний конец его оси о поверхность, на которой он вращается, и сопротивлением воздуха при движении. Земля, как нам уже известно, не соприкасается ни с каким другим мировым телом.

Она как будто бы свободно вращается в мировом пространстве, свободна от тормозящего действия трения и сопротивления воздуха. Она как бы «висит» в мировом пространстве.

Поэтому Земля вращается всегда почти с одинаковой скоростью и всё в одном и том же направлении, с запада на восток.

Иначе говоря, если смотреть на Северный полюс земного шара откуда-нибудь из мирового пространства, Земля вращается в направлении, противоположном движению часовой стрелки.

В результате вращения Земли вокруг своей оси происходит смена дня и ночи. Это явление пытались объяснить еще ученые средневековья, (подробнее: Ученые о вращении Земли).

Полный оборот вокруг своей воображаемой оси Земля совершает в 24 часа (точнее, в 23 часа 56 минут и 4 секунды). Этот промежуток времени мы и называем сутками (звёздными), которые приняты всеми народами за основную единицу измерения времени.

Источник