Кіріспе

Жердің өз осі бойынша айналуы – Жер планетасының өзінің осі шамасында айналуы, сондай-ақ айналу осінің кеңістіктегі бағытының өзгеруі. Жер шығысқа қарай, прогрессивті қозғалыспен айналады. Солтүстік жұлдызы Поляристен қарағанда, Жер сағат тіліне қарсы бағытта айналады. Солтүстік полюс, Географиялық Солтүстік полюс немесе Жердің Солтүстік полюсі деп те аталады, ол Солтүстік жарты шардың Жер осінің бетімен қиылысатын нүктесі. Бұл нүкте Жердің Магниттік Солтүстік полюсінен өзгеше. Оңтүстік полюс – Жер осінің бетімен қиылысатын екінші нүкте, ол Антарктидада орналасқан. Жер Күнге қатысты шамамен 24 сағатта бір рет, ал алыс жұлдыздарға қатысты 23 сағат 56 минут 4 секундта бір рет айналады (төменде қараңыз). Жердің айналуы уақыт өте келе бірте-бірте баяулап барады, сондықтан бұрынғыда күн қысқарақ болған. Бұл Айдың Жердің айналуына тигізетін әсерінен туындайды. Атомдық сағаттар көрсеткендей, қазіргі күн бір ғасыр бұрынғыдан шамамен 1,7 миллисекундқа ұзақ, бұл UTC-нің секіндік секундтармен түзету жылдамдығын аздап арттырады. Тарихи астрономиялық жазбаларды талдау көрсеткендей, баяулау үрдісі байқалады; б.з.д. 8-ші ғасырдан бері күнің ұзақтығы ғасыр сайын шамамен 2,3 миллисекундқа артқан. Ғалымдар 2020 жылы Жердің айналу жылдамдығы артқанын хабарлады, ал бұрынғы онжылдықтарда күнің ұзақтығы 86 400 секундтан асып түспейтін. 2022 жылдың 29 маусымында Жердің айналымы 24 сағаттан 1,59 миллисекундқа кем уақытта аяқталып, жаңа рекорд орнатылды. Осы тенденцияға байланысты, әлемдік инженерлер «теріс секіндік секунд» және басқа да уақытты есептеу шараларын талқылап жатыр. Жылдамдықтың артуына түрлі факторлар ықпал етеді деп саналады, оның ішінде Жердің балқыған ядросының, мұхиттардың және атмосфераның күрделі қозғалысы, Ай сияқты аспан денелерінің әсері және, мүмкін, климаттың өзгеруі, осының салдарынан Жердің полюстеріндегі мұз еруде. Мұз массасы Жердің экватор айналысында дөңгеленген, сопақта шар пішінде болуына себепкер болады. Бұл массалар азайғанда, полюстер салмақ жоғалтудан қалпына келеді, ал Жер шар тәріздес болады, бұл массаны өзінің гравитациялық орталығына жақындатады. Бұрыштық импульстің сақталу заңы массаның гравитациялық орталығына жақын орналасуы оның жылдам айналуымен байланысты екенін көрсетеді.

Тарих

Ежелгі гректер арасында Пифагор мектебінің бірнеше өкілі аспанның күндізгі айналысынан гөрі Жердің айналуына сенді. Мүмкін, біріншісі Филолай (470–385 б.з.д.) болған, бірақ оның жүйесі күрделі болды, оның ішінде орталық оттың маңында күнделікті айналатын қарсы Жер де бар еді. Б.з.д. IV ғасырда Хицета, Гераклид және Экфант Жердің айналатынын жақтады, бірақ Жердің Күнді айналдыратынын ұсынбады. Б.з.д. III ғасырда Самостық Аристарх Күннің орталық орналасуын ұсынды. Алайда, б.з.д. IV ғасырғы Аристотель Филолайдың идеяларын байқауға емес, теорияға негізделген деп сынады. Ол Жерді айналдыратын тұрақты жұлдыздар сферасы туралы идеяны қалыптастырды. Бұл идеяны кейінгі ұрпақтардың көпшілігі, әсіресе Клавдий Птолемей (б.з.д. II ғасыр) қабылдады. 499 жылы үнді астрономы Арьябхата шар тәрізді Жердің өз осінен күнделікті айналатынын және жұлдыздардың көрінетін қозғалысы Жердің айналуынан туындайтын салыстырмалы қозғалыс екенін айтты. Ол мысал келтірді: «Кемеде отырған адам бағытымен келе жатқанда жағалаудағы заттар кері бағытта қозғалғандай көрінеді, солайша Ланкадағы адамға жұлдыздар батысқа қарай жылжып жатқандай көрінеді». X ғасырда кейбір мұсылман астрономдары Жердің өз осінің маңында айналатынын мойындады. Әл-Бирунидің сөзіне сәйкес, әл-Сиджзи (шамамен 1020 ж. өмір сүрген) замандастарының бірінің «біз көретін қозғалыс аспанның емес, Жердің қозғалысынан туындайды» деген пікіріне сүйене отырып, әл-зураки деп аталатын астролябияны ойлап тапты. Бұл көзқарас XIII ғасырға жататын жазбада да расталады: «Геометрлердің [немесе инженерлердің] (мухандис) пікірінше, Жер үнемі дөңгелене айналады, ал аспанның қозғалысы болып көрінетін нәрсе Жердің қозғалысынан, жұлдыздардан емес». Птолемейдің оған қарсы аргументтерін жоққа шығару немесе оларға күмән білдіру үшін трактаттар жазылды. Мараға және Самарқан обсерваторияларында Туси (1201 ж. туған) және Кушжи (1403 ж. туған) Жердің айналуын талқылады; олар қолданған аргументтер мен дәлелдер Коперниктің қолданғандарына ұқсас. Орта ғасырлық Еуропада Томас Аквинский Аристотельдің көзқарасын қабылдады, ал XIV ғасырда Джон Буридан мен Николь Орем де оған қарсылық танытты. Николай Коперник 1543 жылы гелиоцентрлік әлем жүйесін қабылдағанға дейін Жердің айналуы туралы қазіргі түсінік қалыптаса бастады. Коперник Жердің қозғалысы күшті болса, жұлдыздардың қозғалысы одан да күшті болуы керек екенін көрсетті. Ол Пифагорлықтардың еңбегін мойындап, салыстырмалы қозғалыс мысалдары келтірді. Коперник үшін бұл орталық Күнді айналатын планеталардың қарапайым үлгісін құрудағы алғашқы қадам болды. Кеплердің планеталардың қозғалысы заңдарына негіз болған дәл бақылауларды жасаған Тихо Браге Коперниктің жұмысын тұрақты Жерді болжайтын жүйенің негізі ретінде пайдаланды. 1600 жылы Уильям Гилберт Жердің магнит күші туралы трактатында Жердің айналуын қатты жақтады және осылайша көптеген замандастарына әсер етті. Жердің Күнді айналдыра қозғалуын ашық қолдамаған немесе қабылдамаған Гилберт сияқтыларды «жартылай коперниктер» деп атады. Мұндай бұрылыстар кейін Кориолис эффектісі деп аталды. Алайда Кеплер, Галилей және Ньютонның еңбектері Жердің айналу теориясын қолдады.

Эмпирикалық сынақтар

Жердің айналуы экватордың бүгіліп, географиялық полюстердің жалпақтап кеткенін білдіреді. Ньютон өзінің "Principia" еңбегінде бұл тегістелудің 230-дан бір бөлігіне жететінін болжап, гравитациядағы өзгерісті растау ретінде 1673 жылы Рихердің маятник өлшеміне сілтеме жасады, бірақ 17 ғасырдың соңында Пикард пен Кассинидің меридиан ұзындығының алғашқы өлшеулері кері нәтиже көрсетті. Дегенмен, 1730 жылдары Мопертуи мен француз геодезиялық миссиясының өлшеулері Жердің дөңгелектігін анықтады, осылайша Ньютон мен Коперниктің пікірлерін растады. Жердің айналатын координаттық жүйесінде еркін қозғалатын дене, тоқтаулы координаттық жүйедегідей қозғалмай, көзге көрінетін басқа траекторияны өтеді. Кориолис күшінің әсерінен құлайтын денелер түсірілген нүктесінен тік төмен бағыттан сәл шығысқа қарай ауысады, ал снарядтар Солтүстік жарты шардан оңға (ал Оңтүстік жарты шардан солға) бұрылады. Кориолис эффектісі көбінесе метеорологиялық масштабта байқалады, онда ол Солтүстік және Оңтүстік жарты шарлардағы циклон айналуының қарама-қарсы бағыттарына (сағат тіліне қарсы және сағат тілімен) жауап береді. 1679 жылы Ньютонның ұсынысымен Хук 8,2 метр биіктіктен түсірілген дененің болжамдаған шығысқа қарай бұрылуын тексеруге тырысты, бірақ нақты нәтижелер кейін, 18 және 19 ғасырлардың басында Болоньядағы Джованни Баттиста Гуглиельмини, Гамбургтегі Иоганн Фридрих Бензенберг және Фрайбергтегі Фердинанд Райх жоғары мұнаралар мен мұқият босатылған салмақтарды қолданып алды. 158,5 метр биіктіктен түсірілген шар тік бағыттан 27,4 мм-ге ауытқыды, ал есептелген мән 28,1 мм болды. Жердің айналуын тексерудің ең танымал тәсілі – физик Леон Фуконың 1851 жылы тұңғыш рет салған Фуко маятнигі, ол Париждегі Пантеонның шатырынан 67 метр биіктікте ілінген қорғасынмен толтырылған мыс шардан тұрды. Жердің айналуына байланысты маятниктің тербеліс жазықтығы ендікке байланысты айналады. Париж ендігінде болжамдаған және байқалған ауытқу сағатына шамамен 11 градус сағат тілімен болды. Фуко маятниктері қазір әлемнің түрлі музейлерінде көрсетілуде.

Нағыз күндізгі күн

Жердің Күнге қатысты айналу периоды (күннің түскі сағатынан күннің түскі сағатына дейінгі аралық) – оның нақты күндізгі күні немесе көрінетін күндізгі күні. Ол Жердің орбиталық қозғалысына байланысты және Жер орбитасының эксцентриктігі мен еңістігінің өзгеруіне тәуелді. Екі фактордың да ұзақтығы мыңдаған жылдар бойы өзгереді, сондықтан нақты күндізгі күннің жылдық өзгеруі де өзгереді. Әдетте, ол жылдың екі кезеңінде орташа күндізгі күнден ұзақ, ал қалған екі кезеңінде қысқа болады. refn|Жердің эксцентриктігі 0,047-ден асып, перигелий тиісті теңдік немесе күн тоқырауында болғанда, бір шыңы бар бір кезең, екі шыңы бар екінші кезеңмен теңеседі.

Орташа күндік күн

Бүкіл жыл бойындағы нақты күннің орташа ұзақтығы – орташа күн, ол 86 400 орташа күн секундтан тұрады. Қазіргі уақытта, осы секундтардың әрқайсысы СИ секундтан сәл ұзақ, себебі Жердің орташа күні 19 ғасырмен салыстырғанда аздап ұзарған, бұл құбылыс ағынның үйкелісіне байланысты. 1972 жылы секундтық түзету енгізілгеннен бері орташа күннің ұзақтығы 86 400 СИ секундтан шамамен 0-ден 2 мс-қа дейін артық. Ядро мен мантияның байланысынан туындаған кездейсоқ ауытқулардың амплитудасы шамамен 5 мс-қа жетеді. 1750 мен 1892 жылдар аралығындағы орташа күн секундын 1895 жылы Саймон Ньюкомб өзінің Күн кестелеріндегі уақыттың дербес бірлігі ретінде таңдады. Бұл кестелер 1900 мен 1983 жылдар аралығында әлемдік эфемеридтерді есептеу үшін пайдаланылды, сондықтан бұл секунд эфемерид секунды деп аталды. 1967 жылы СИ секунды эфемерид секундымен теңестірілді. Көрінетін күн уақыты – Жердің айналуын өлшеу, ал оның орташа күн уақытымен арасындағы айырмашылық – уақыт теңдеуі деп аталады.

Жұлдыздық және жұлдыздық күн

Халықаралық Жердің айналу және анықтама жүйелері қызметі (IERS) оның жұлдыздық күні деп аталатын Халықаралық аспандық эталондық шеңберге қатысты Жердің айналу кезеңі 86 164.098 903 691 секунд орташа күн уақыты (UT1) құрайды. Жердің прецессиялық орташа көктемгі күн мен түн теңдеуіне қатысты айналу кезеңі, сидериялық күн деп аталады, орташа күн уақыты (UT1) құрайды. Жұлдыздық күн де, сидериялық күн де орташа күндік күннен шамамен 3 минут 56 секундқа қысқа. Бұл Жердің Күнді айналып жүрген кезде аспандық эталондық шеңберге қатысты 1 қосымша айналу жасауының нәтижесі (соның салдарынан 366.24 айналыс/жыл). Орташа күндік күнді SI секундпен 1623–2005 және 1962–2005 кезеңдері үшін IERS-тен алуға болады. Соңғы жылдары (1999–2010) орташа күндік күннің ұзындығы 86,400 SI секундтан артық болған кезде 0.25 мс және 1 мс аралығында өзгерді, бұл мән орташа күн уақытында берілген жұлдыздық және сидериялық күндерге қосылып, олардың SI секундпен ұзындығын анықтауға қолданылады (күн ұзындығының ауытқуларына қараңыз).

Бұрыштық жылдамдық

Жердің инерциялық кеңістіктегі айналу бұрыштық жылдамдығы ±. (180°/π радиан) × (86 400 секунд/күн) көбейту нәтижесінде, Жер бір күн ішінде тұрақты жұлдыздарға қатысты 360 градустан астам айналатыны көрінеді. Жердің дерлік дөңгелек орбитасы бойымен қозғалуы және өз осінің айналасында бір рет айналуы, орташа Күн қайтадан жоғарыдан өтуі үшін Жердің тұрақты жұлдыздарға қатысты бір реттен сәл көп айналуын талап етеді, тіпті ол орташа Күнге қатысты бір рет ғана (360°) айналса да. Rad/s мәнін Жердің экваторлық радиусы 6 378 137 м (WGS84 эллипсоиді) (екі жағдайда да қажетті 2π радиан факторлары өзара қысқарады) көбейту экваторлық жылдамдықты береді. Кейбір дереккөздер Жердің экваторлық жылдамдығы сәл төмен, яғни 1669.8 км/сағ дейді. Бұл Жердің экваторлық шеңберін 24 сағатқа бөлу арқылы алынады. Дегенмен, күн күнін пайдалану дұрыс емес; бұл сидеростық күн болуы керек, сондықтан тиісті уақыт бірлігі сидеростық сағат болуы керек. Бұл бір орташа күндегі сидеростық күндер санына көбейту арқылы расталады, ол 1.002 737 909 350 795-ке тең. Мысалы, Кеннеди ғарыш орталығы 28.59° солтүстік ендікте орналасқан, бұл жылдамдыққа тең: cos(28.59°) × 1674.4 км/сағ = 1470.2 км/сағ. Ендік ғарыш айлақтарының орналасуы үшін маңызды фактор. Кайамбе жанартауының шыңы – Жер бетінің өз осінен ең алыс нүктесі; сондықтан Жер айналғанда ол ең жылдам айналады.

Оралу осі бойынша

Жердің айналу осі тұрақты жұлдыздарға қатысты қозғалады (инерциялық кеңістік); осы қозғалыстың құрамдас бөліктері – прецессия және нутация. Ол сондай-ақ Жер қыртысына қатысты да қозғалады; бұл полярлық қозғалыс деп аталады. Прецессия – Күннің, Айдың және басқа да денелердің гравитациясынан туындайтын сыртқы моменттердің әсерінен Жердің айналу осінің айналуы. Полярлық қозғалыс негізінен еркін ядролық нутация мен Чандлер тербелісіне байланысты.

Резонанстық тұрақтандыру

Қазіргі уақыттағы толқынның баяулау деңгейі қалыптан тыс жоғары, бұл Жердің айналу жылдамдығы бұрынғыда көбірек баяу төмендеген болуы керек екенін көрсетеді. Эмпирикалық деректер Бұл күннің ұзындығы термиялық түрде қозғалатын атмосфералық толқынның жарты күндік резонанстық периодына сәйкес келеді; осы күн ұзындығында атмосфералық толқынның үдетуші моменті Айдың баяулатушы моментін теңдестіріп, нәтижесінде жалпы момент болмай, айналу периоды тұрақты болар еді. Бұл тұрақтандырушы әсер жаһандық температураның күрт өзгеруімен бұзылуы мүмкін. Жақында жүргізілген есептеулер осы гипотезаны қолдайды және Мариноан немесе Стуртиан мұз басу кезеңдері шамамен 600 миллион жыл бұрын осы тұрақты жағдайды бұзғанын көрсетеді; есептеу нәтижелері қолданыстағы палеоайналу деректерімен өте жақын келіседі. Соңғы мұз дәуірінен бері жалғасып келе жатқан мұздықтан кейінгі көтерілу Жердің массасының таралуын да өзгертеді, осылайша Жердің инерция моментыне және бұрыштық импульстің сақталу заңына сәйкес Жердің айналу периодына әсер етеді. Күннің ұзындығына адам жасаған құрылыстар да әсер ете алады. Мысалы, НАСА ғалымдары Ынтымақ бөгетінде сақталған судың массаның орын ауысуына байланысты Жер күнінің ұзындығын 0,06 микросекундқа ұзартқанын есептеп шығарды.

Өлшем

Жердің айналуын негізгі бақылау өте ұзақ базалық интерферометрия, Global Positioning System, спутниктік лазерлік қашықтық өлшеу және басқа да спутниктік геодезия техникаларымен үйлестіріліп жүзеге асырылады. Бұл әмбебап уақытты, прецессияны және нутацияны анықтау үшін абсолюттік анықтама болып табылады. Жердің айналуының UT1 және нутацияны қоса алғандағы абсолюттік шамасы ғарыш геодезиялық бақылаулар арқылы, мысалы, өте ұзақ базалық интерферометрия және айға лазерлік қашықтық өлшеу арқылы анықталады, ал олардың туындылары – күн ұзындығының артықшалығы және нутация жылдамдықтары GPS, GLONASS, Galileo және геодезиялық спутниктерге спутниктік лазерлік қашықтық өлшеу сияқты спутниктік бақылаулардан алынуы мүмкін.

Ежелгі байқаулар

Б.з.д. 8 ғасырдан бастап, Бабыл және Қытай астрономдарының Күн мен Ай тұтылуын бақылаулары тіркелген, сондай-ақ ортағасырлық ислам әлемінен және басқа да жерлерден де мәліметтер бар. Бұл бақылаулар Жердің соңғы 27 ғасырдағы айналу өзгеруін анықтауға пайдаланылуы мүмкін, себебі күн ұзындығы тұтылудың орны мен уақытын есептеудегі маңызды параметр болып табылады. Күн ұзындығының ғасыр сайын миллисекундтармен өзгеруі тұтылу бақылауларында сағаттармен және мыңдаған шақырымдармен байқалады. Ежелгі деректер күннің қысқа болуымен сәйкес келеді, яғни Жер бұрын жылдамрақ айналған.

Циклдік ауытқуы

Жердің айналысы шамамен 25–30 жыл сайын бірнеше миллисекундқа күніне баяулап, әдетте шамамен бес жылға созылады. 2017 жыл – Жердің айналысы төртінші жыл қатарынан баяулаған жыл. Осы өзгергіштіктің себебі әлі анықталған жоқ.

Шығу тегі

Жердің бастапқы айналысы Күн жүйесінің қалыптасуына себеп болған шаң, тас және газ бұлтының бастапқы бұрыштық импульсінің із қалдығы еді. Бұл алғашқы бұлт Ұлы жарылыста пайда болған сутегі мен гелийден, сондай-ақ суперновалардың шығарған ауыр элементтерінен тұрды. Бұл жұлдызаралық шаң әртүрлі болғандықтан, гравитациялық жиналу кезіндегі кез келген теңсіздік болашақ планетаның бұрыштық импульсін тудырды. Дегенмен, егер Айдың пайда болуына қатысты алып соқтығысу гипотезасы дұрыс болса, бұл бастапқы айналу жылдамдығы 4,5 миллиард жыл бұрын Тея соқтығысынан қайта бағаланатын еді. Соқтығысу алдындағы Жердің айналу жылдамдығы мен бұрылысына қарамастан, соқтығыстан кейін ол бес сағатқа дейін созылатын бір күнді бастан өткерген болар еді. Кейін, күштердің әсерінен бұл жылдамдық қазіргі деңгейге дейін баяулады.