Фигура и размеры Земли

Общие сведения о Земле

Земля - третья планета от Солнца и пятая по массе среди планет. Земля удалена от Солнца на 149600000 км - одну астрономическую единицу (1 а.е.), диаметр планеты - 12,8 тыс. км, масса - 6×10²⁴кг. Период обращения вокруг центрального светила – 365,25 суток. Средняя температура - 288 К (+15°С). Земля - единственная планета, на которой существует жизнь. Уже в древней Греции существовало понятие о Земле, как о шаре. Только вот шар этот помещался в центр всего Космоса - до эпохи возрождения и Коперника геоцентрическая система мира была общепринятой. Впрочем, первенство в переносе центра Мира с Земли на Солнце часто приписывают Аристарху Самосскому (ок. 310-230 гг. до н. э.). В XVIII веке из геодезических измерений было установлено, что фигура Земли близка к эллипсоиду вращения, её полярный диаметр меньше экваториального (полярный радиус а =6356,774 км; экваториальный а =6378,160 км). Большей степенью приближения к физической поверхности Земли является фигура геоид - или поверхность равного потенциала силы тяжести, на океанах совпадающая с невозмущённой поверхностью воды. Земля состоит в основном из тяжелых элементов — металлов и минералов. В центре у нее очень плотное ядро из железа и никеля. Это ядро окружено мантией весьма разнообразного химического состава. Снаружи Земля покрыта 30-километровой корой из базальта и гранита. Она разделяется на 20 огромных платформ, или тектонических плит, которые тесно примыкают друг к другу. Плиты плавают на поверхности раскаленной, частично расплавленной горной породы. Над корой размещаются земная суша и океан. Суша разделена на шесть континентов. Их называние и площади приведены ниже:

1. Австралия — 8 млн. кв. км

2. Северная Америка — 24 млн. кв. км

3. Евразия — 54 млн. кв. км

4. Южная Америка — 18 млн. кв. км

5. Африка — 30 млн. кв. км

6. Антарктида — 13 млн. кв. км

Полный оборот вокруг своей оси Земля совершает за одни сутки. Когда на освещаемой Солнцем половине Земли стоит день, на противоположной стороне царит ночь. По мере вращения Земли начинает освещаться ранее затененная сторона, и ночь сменяется днем. Днем кажется, что Солнце движется по небосводу. На самом деле, движется вовсе не Солнце, а Земля. Кроме того, на Земле существуют океаны, покрывающие более 70% ее поверхности, их средняя глубина составляет 3800 метров. Таким образом, Земля — единственная планета Солнечной системы, поверхность которой в основном покрыта водой. Кроме того, у нее довольно плотная атмосфера, состоящая из: азота — 78,08%, кислорода — 20,95%, инертных газов — 0,94%. Нижние слои атмосферы называются тропосферой, которая простирается до высот 10—12 км. В ней температура падает с высотой; затем начинается стратосфера (высота от 10—12 до 80 км.) — слой с постоянной температурой порядка -40°C. Далее идет ионосфера — ионизированные слои атмосферы. У Земли есть единственный спутник — Луна.

2.5 Доказательство шарообразности Земли, её вращения вокруг оси и годичного движения вокруг Солнца.

Объяснение таких астрономических явлений, как смена дня и ночи, восход и заход светил связано с вопросом о форме и вращении Земли. Доказательством шарообразности Земли являлись:

1) форма земной тени на диске Луны время лунных затмений;

2) постепенное появление или исчезновение морских судов при их приближении или удалении от берега;

Из дошедших до нас сведений, первые идеи шарообразности Земли высказывали Пифагор (6 век до н.э.), Парменид, Аристотель, а размеры Земного шара впервые определил Эратосфен в 240 году до н.э. Он нашел, что в день летнего солнцестояния в Сиене (нынешний Асуан), Солнце находится в зените, а в Александрии в 7,2°. от него. Расстояние между этими пунктами, расположенных примерно на одном меридиане составляет приблизительно 5000 стадий или 800 км (рис. 2.3). Из этих измерений можно получить, что радиус Земли равен 6366 км (современное значение 6370 км).

Вращение земли самым естественным образом объясняет смену дня и ночи, восход и заход светил. Можно привести следующие доказательства вращения Земли вокруг оси:

1. Поворот с течением времени плоскости качания маятника фуко относительно окружающих его предметов во всех местах Земного шара, кроме его экватора;

2. Сплюснутость Земли вдоль полярной оси, обнаруживаемая из градусных измерений;

3. Отклонение падающих тел к востоку

4. Размыв правых берегов рек, текущих в северном полушарии и левых в южном (закон Бэра).

5. Северо-восточные пассаты в северном полушарии Земли и юго–восточные в южном;

6. Круговые движения в циклонах (против часовой стрелки в северном и по часовой стрелке - в южном полушариях Земли; обратные этим движение в антициклонах);

7. Изменение силы тяжести с широтой (частично объясняемой сплюснутостью Земли) и т. д.

Как уже говорилось, о годичном движении Земли вокруг Солнца догадывались еще ученые античной Греции (Аристарх Самосский в 3 веке до н. э.). Доказательством этому служит:

1) годичный параллакс звёзд;

2) годичная аберрация звёзд;

3) смещение линий в спектрах звёзд с периодом в один год.

Все эти эффекты очень тонкие, проверить их удалось только в 18-19 веках, когда произошла революция в технических средствах наблюдения. Годичное движение Земли вызывает видимые смещение положения близких Звезд относительно более далёких. В течении года близкие звёзды описывают на небе параллактические эллипсы. Годичный параллакс самой близкой звезды a Центавра (Кентавра) p=0,76² (см. раздел 3.12).

Аберрационное смещение вызывается сложением скорости света и скорости движения Земли по орбите. В каждый момент звезда смещается в направлении движения Земли к апексу орбитального движения Земли. Годичное смещение линий в спектрах звёзд объясняется эффектом Доплера.

Пренебрегая влиянием притяжение Луны на Землю, можно доказать, что Земля движется вокруг Солнца по эллипсу с эксцентриситетом е =0,0167 ( эксцентриситет характеризует сплюснутость эллипса, см. раздел 4). Солнце находится в одном из фокусов этого эллипса. Расстояние Земли от Солнца изменяется в течение года на ±2.5 млн. км от среднего значения, минимальное в перигелии - 147117000км, максимальное в афелии - 152083000 км. Строго говоря, вокруг Солнца по идеальному эллипсу движется центр тяжести системы Земли- Луна - т.н. барицентр, который расположен на расстоянии 4672 км от центра Земли по направлению к Луне. По радиолокационным наблюдениям среднее расстояние от Земли до Солнца равно 149 600 000 км. или 1 астрономическая единица (1 а. е.). Эта фундаментальная величина выводилась из определения Солнечного параллакса.

Определение размеров и фигуры Земли получили свое новое развитие после появления метода триангуляции, который впервые применил голландец Снеллиус в 1615 г. при измерении дуги меридиана в Голландии. С тех пор в разных странах, на разных широтах было измерено много дуг на поверхности Земли и не только по меридианам, но и по параллелям. Все эти измерения показали, что длина дуги 1° меридиана не одинакова под разными широтами: около экватора она равна 110,6 км, а около полюсов — 111,7 км, т.е. увеличивается к полюсам. Это означает, что кривизна земной поверхности меньше в полярных областях, чем в экваториальных. Следовательно, Земля отличается от шара и имеет несколько сплющенную форму, близкую к сфероиду (эллипсоиду вращения).

Для целей геодезии и картографии Землю аппроксимируют сфероидом¾эллипсоидом вращения. На протяжении последних полутора столетий неоднократно определялись элементы земного сфероида, форма которого наилучшим образом согласовывалась с наиболее точными измерениями дуг. Фундаментальные определения были сделаны в СССР Ф.Н. Красовским и А.А. Изотовым в 1940 г. Согласно их исследованиям малая полуось сфероида, совпадающая с осью вращения Земли, равна b = 6356,86 км, а большая полуось, лежащая в плоскости экватора, а = 6378,24 км. Отношение

называемое сжатием сфероида, равно .

В настоящее время размеры и фигура Земли наиболее точно определяется с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ). Принятые международным геодезическим союзом в 1999 г. значения для малой полуоси геоцентрического уровенного эллипсоида b =6356752.3 м, а сжатие a=1/298.2572, что близко к результатам Ф.Н. Красовского и А.А. Изотова.

Рис. 2.4 Геоид, эллипсоид

Истинная фигура Земли отличается и от сфероида, и от трехосного эллипсоида и не может быть представлена ни одной из известных математических фигур. Поэтому, говоря о фигуре Земли, имеют в виду не физическую форму земной поверхности, с океанами и материками, с их возвышенностями и впадинами, а так называемую поверхность геоида (рис. 2.4).

Поверхность, нормалями к которой в любой из ее точек являются отвесные линии, называется уровенной поверхностью, или поверхностью равновесия. Таких уровенных поверхностей, как внутри Земли, так и охватывающих земную поверхность, или пересекающихся с ней, можно провести бесчисленное множество.

Та поверхность равновесия, которая совпадает в открытом океане с поверхностью покоящейся свободной воды, называется геоидом.

Поверхность геоида мало отличается от поверхности земного эллипсоида, как правило, поднимаясь над ней внутри материков и опускаясь в океанах (рис. 40). Разность уровней геоида и наиболее близкого к нему по размерам и форме эллипсоида, исключая немногие места на Земле, меньше 100 м.

Изучение истинной фигуры Земли является одной из основных задач геодезии и гравиметрии и состоит из определения элементов эллипсоида, наиболее близкого к геоиду, и положения отдельных частей поверхности геоида относительно эллипсоида.

Дата добавления: 2013-12-12