Вращение Земли вокруг своей оси

Введение

Вращение Земли, или земное вращение, — это вращение планеты Земля вокруг собственной оси, а также изменения в ориентации оси вращения в пространстве. Земля вращается на восток, в прямом направлении. Если смотреть с северной полярной звезды, 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 пересекает её поверхность. Эта точка отличается от Северного магнитного полюса Земли. Южный полюс — это другая точка, где ось вращения Земли пересекает её поверхность, в Антарктиде. Земля совершает один оборот вокруг своей оси примерно за 24 часа относительно Солнца, но за 23 часа, 56 минут и 4 секунды относительно других далёких звёзд (см. ниже). Вращение Земли незначительно замедляется со временем, поэтому 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 столетие назад, что медленно увеличивает частоту корректировки UTC с помощью дополнительных секунд. Анализ исторических астрономических данных свидетельствует о тенденции к замедлению: продолжительность дня увеличивалась примерно на 2,3 миллисекунды в столетие с VIII века до нашей эры. Учёные сообщили, что в 2020 году Земля начала вращаться быстрее, после того как в течение предыдущих десятилетий она постоянно вращалась медленнее, чем за 86 400 секунд в сутки. 29 июня 2022 года оборот Земли был завершён за 1,59 миллисекунды меньше 24 часов, установив новый рекорд. В связи с этой тенденцией инженеры по всему миру обсуждают возможность введения «отрицательной високосной секунды» и других возможных мер по учету времени. Считается, что увеличение скорости обусловлено различными факторами, включая сложное движение расплавленного ядра, океанов и атмосферы, влияние небесных тел, таких как Луна, и, возможно, изменение климата, которое приводит к таянию льдов на полюсах Земли. Масса льдов объясняет, почему Земля имеет форму сплюснутого сфероида, выпуклого у экватора. Когда эта масса уменьшается, полюса поднимаются из-за уменьшения нагрузки, и Земля становится более сферической, что приводит к приближению массы к центру тяжести. Закон сохранения углового момента гласит, что масса, распределённая ближе к центру тяжести, вращается быстрее.

Earth's rotation or Earth's spin is the rotation of planet Earth around its own axis, as well as changes in the orientation of the rotation axis in space. Earth rotates eastward, in prograde motion. As viewed from the northern polar star Polaris, Earth turns counterclockwise. The North Pole, also known as the Geographic North Pole or Terrestrial North Pole, is the point in the Northern Hemisphere where Earth's axis of rotation meets its surface. This point is distinct from Earth's North Magnetic Pole. The South Pole is the other point where Earth's axis of rotation intersects its surface, in Antarctica. Earth rotates once in about 24 hours with respect to the Sun, but once every 23 hours, 56 minutes and 4 seconds with respect to other distant stars (see below). Earth's rotation is slowing slightly with time; thus, a day was shorter in the past. This is due to the tidal effects the Moon has on Earth's rotation. Atomic clocks show that the modern day is longer by about 1.7 milliseconds than a century ago, slowly increasing the rate at which UTC is adjusted by leap seconds. Analysis of historical astronomical records shows a slowing trend; the length of a day increased by about 2.3 milliseconds per century since the 8th century BCE. Scientists reported that in 2020 Earth had started spinning faster, after consistently spinning slower than 86,400 seconds per day in the decades before. On June 29, 2022, Earth's spin was completed in 1.59 milliseconds under 24 hours, setting a new record. Because of that trend, engineers worldwide are discussing a 'negative leap second' and other possible timekeeping measures. This increase in speed is thought to be due to various factors, including the complex motion of its molten core, oceans, and atmosphere, the effect of celestial bodies such as the Moon, and possibly climate change, which is causing the ice at Earth's poles to melt. The masses of ice account for the Earth's shape being that of an oblate spheroid, bulging around the equator. When these masses are reduced, the poles rebound from the loss of weight, and Earth becomes more spherical, which has the effect of bringing mass closer to its centre of gravity. Conservation of angular momentum dictates that a mass distributed more closely around its centre of gravity spins faster.

История

Среди древних греков некоторые пифагорейцы верили во вращение Земли, а не в кажущееся суточное вращение небес. Возможно, первым был Филолай (470–385 гг. до н.э.), хотя его система была сложной и включала противолежащую Землю, ежедневно вращающуюся вокруг центрального огня. Более традиционную картину поддерживали Гикетас, Гераклид и Экфант в IV веке до н.э., которые предполагали вращение Земли, но не предполагали, что Земля вращается вокруг Солнца. В III веке до н.э. Аристарх Самосский предложил центральное положение Солнца. Однако Аристотель в IV веке до н.э. критиковал идеи Филолая, считая их основанными на теории, а не на наблюдениях. Он установил представление о сфере неподвижных звезд, вращающейся вокруг Земли. Это было принято большинством последовавших, в частности Клавдием Птолемеем (II век н.э.), который полагал, что Земля была бы опустошена ураганами, если бы вращалась. В 499 г. н.э. индийский астроном Арьябхата предположил, что сферическая Земля вращается вокруг своей оси ежедневно, и что видимое движение звезд является относительным движением, вызванным вращением Земли. Он привел следующую аналогию: «Как человек в лодке, движущейся в одном направлении, видит неподвижные объекты на берегу движущимися в противоположном направлении, так и человеку в Ланке неподвижные звезды кажутся движущимися на запад». В X веке некоторые мусульманские астрономы приняли идею о вращении Земли вокруг своей оси. По словам аль-Бируни, аль-Сиджи (ум. ок. 1020 г.) изобрел астролябию, названную аль-зураки, основанную на идее, разделяемой некоторыми его современниками, «что движение, которое мы видим, обусловлено движением Земли, а не неба». Распространенность этого взгляда подтверждается также ссылкой из XIII века, в которой говорится: «Согласно геометрам [или инженерам] (мухандисину), Земля находится в постоянном круговом движении, и то, что кажется движением небес, на самом деле обусловлено движением Земли, а не звезд». Были написаны трактаты, посвященные обсуждению этой возможности, либо в качестве опровержения, либо выражающие сомнения в аргументах Птолемея против нее. На обсерваториях Мараги и Самарканда вращение Земли обсуждали Туси (род. 1201 г.) и Кушджи (род. 1403 г.); аргументы и доказательства, которые они использовали, напоминали те, что использовал Коперник. В средневековой Европе Фома Аквинский принял взгляд Аристотеля, и так же, с неохотой, поступили Жан Буридан и Николь Орем в XIV веке. Только после того, как Николай Коперник в 1543 году принял гелиоцентрическую систему мира, современное понимание вращения Земли начало формироваться. Коперник указал, что если движение Земли насильственное, то движение звезд должно быть еще более насильственным. Он признал вклад пифагорейцев и указал на примеры относительного движения. Для Коперника это был первый шаг к установлению более простой модели планет, вращающихся вокруг центрального Солнца. Тихо Браге, который сделал точные наблюдения, на основе которых Кеплер сформулировал свои законы движения планет, использовал работу Коперника в качестве основы системы, предполагающей неподвижную Землю. В 1600 году Уильям Гильберт решительно поддержал вращение Земли в своем трактате о магнетизме Земли и тем самым повлиял на многих своих современников. Тех, кто, подобно Гильберту, не открыто поддерживал или отвергал движение Земли вокруг Солнца, называют «полукоперниканцами». Позднее такие отклонения стали называться эффектом Кориолиса. Однако вклад Кеплера, Галилея и Ньютона укрепил поддержку теории вращения Земли.

Among the ancient Greeks, several of the Pythagorean school believed in the rotation of Earth rather than the apparent diurnal rotation of the heavens. Perhaps the first was Philolaus (470–385 BCE), though his system was complicated, including a counter earth rotating daily about a central fire. A more conventional picture was supported by Hicetas, Heraclides and Ecphantus in the fourth century BCE who assumed that Earth rotated but did not suggest that Earth revolved about the Sun. In the third century BCE, Aristarchus of Samos suggested the Sun's central place. However, Aristotle in the fourth century BCE criticized the ideas of Philolaus as being based on theory rather than observation. He established the idea of a sphere of fixed stars that rotated about Earth. This was accepted by most of those who came after, in particular Claudius Ptolemy (2nd century CE), who thought Earth would be devastated by gales if it rotated. In 499 CE, the Indian astronomer Aryabhata suggested that the spherical Earth rotates about its axis daily, and that the apparent movement of the stars is a relative motion caused by the rotation of Earth. He provided the following analogy: "Just as a man in a boat going in one direction sees the stationary things on the bank as moving in the opposite direction, in the same way to a man at Lanka the fixed stars appear to be going westward." In the 10th century, some Muslim astronomers accepted that Earth rotates around its axis. According to al Biruni, al Sijzi (d. c. 1020) invented an astrolabe called al zūraqī based on the idea believed by some of his contemporaries "that the motion we see is due to the Earth's movement and not to that of the sky." The prevalence of this view is further confirmed by a reference from the 13th century which states: "According to the geometers [or engineers] (muhandisīn), the Earth is in constant circular motion, and what appears to be the motion of the heavens is actually due to the motion of the Earth and not the stars." Treatises were written to discuss its possibility, either as refutations or expressing doubts about Ptolemy's arguments against it. At the Maragha and Samarkand observatories, Earth's rotation was discussed by Tusi (born 1201) and Qushji (born 1403); the arguments and evidence they used resemble those used by Copernicus. In medieval Europe, Thomas Aquinas accepted Aristotle's view and so, reluctantly, did John Buridan and Nicole Oresme in the fourteenth century. Not until Nicolaus Copernicus in 1543 adopted a heliocentric world system did the contemporary understanding of Earth's rotation begin to be established. Copernicus pointed out that if the movement of Earth is violent, then the movement of the stars must be very much more so. He acknowledged the contribution of the Pythagoreans and pointed to examples of relative motion. For Copernicus this was the first step in establishing the simpler pattern of planets circling a central Sun. Tycho Brahe, who produced accurate observations on which Kepler based his laws of planetary motion, used Copernicus's work as the basis of a system assuming a stationary Earth. In 1600, William Gilbert strongly supported Earth's rotation in his treatise on Earth's magnetism and thereby influenced many of his contemporaries. Those like Gilbert who did not openly support or reject the motion of Earth about the Sun are called "semi Copernicans". such deflections would later be called the Coriolis effect. However, the contributions of Kepler, Galileo and Newton gathered support for the theory of the rotation of Earth.

Эмпирические испытания

Вращение Земли обуславливает выпуклость экватора и сплюснутость географических полюсов. В своей книге «Математические начала натуральной философии» (Principia) Ньютон предсказал, что это сплющивание составит одну часть на 230, и сослался на измерения маятника, выполненные Ришером в 1673 году, как подтверждение изменения силы тяжести. Однако первоначальные измерения длины меридианов, проведенные Пикаром и Кассини в конце XVII века, указывали на обратное. Тем не менее, измерения Мопертюи и Французской геодезической миссии в 1730-х годах установили форму Земли, подтверждая тем самым выводы как Ньютона, так и Коперника. Во вращающейся системе отсчета Земли свободно движущееся тело следует по кажущейся траектории, отклоняющейся от той, по которой оно двигалось бы в неподвижной системе отсчета. Из-за эффекта Кориолиса падающие тела незначительно отклоняются к востоку от вертикальной линии, проходящей через точку их выпуска, а снаряды в Северном полушарии отклоняются вправо (а в Южном – влево) от направления выстрела. Эффект Кориолиса наиболее заметен в метеорологическом масштабе, где он определяет противоположные направления вращения циклонов в Северном и Южном полушариях (против часовой стрелки и по часовой стрелке соответственно). Хук, по предложению Ньютона 1679 года, безуспешно попытался проверить предсказанное отклонение тела к востоку при падении с высоты 8,2 метра, но окончательные результаты были получены позднее, в конце XVIII и начале XIX веков, Джованни Баттиста Гульельмини в Болонье, Иоганном Фридрихом Бензенбергом в Гамбурге и Фердинандом Рейхом в Фрайберге, с использованием более высоких башен и тщательно отпущенных грузов. Шар, упавший с высоты 158,5 м, отклонился от вертикали на 27,4 мм, что близко к расчетному значению в 28,1 мм. Наиболее известным доказательством вращения Земли является маятник Фуко, впервые созданный физиком Леоном Фуко в 1851 году. Он представлял собой латунную сферу, заполненную свинцом, подвешенную на 67-метровой высоте под куполом Пантеона в Париже. Из-за вращения Земли под качающимся маятником плоскость его колебаний, кажется, вращается со скоростью, зависящей от широты. На широте Парижа прогнозируемое и наблюдаемое смещение составляло около 11 градусов по часовой стрелке в час. Маятники Фуко теперь демонстрируются в музеях по всему миру.

Earth's rotation implies that the Equator bulges and the geographical poles are flattened. In his Principia, Newton predicted this flattening would amount to one part in 230, and pointed to the pendulum measurements taken by Richer in 1673 as corroboration of the change in gravity, but initial measurements of meridian lengths by Picard and Cassini at the end of the 17th century suggested the opposite. However, measurements by Maupertuis and the French Geodesic Mission in the 1730s established the oblateness of Earth, thus confirming the positions of both Newton and Copernicus. In Earth's rotating frame of reference, a freely moving body follows an apparent path that deviates from the one it would follow in a fixed frame of reference. Because of the Coriolis effect, falling bodies veer slightly eastward from the vertical plumb line below their point of release, and projectiles veer right in the Northern Hemisphere (and left in the Southern) from the direction in which they are shot. The Coriolis effect is mainly observable at a meteorological scale, where it is responsible for the opposite directions of cyclone rotation in the Northern and Southern hemispheres (anticlockwise and clockwise, respectively). Hooke, following a suggestion from Newton in 1679, tried unsuccessfully to verify the predicted eastward deviation of a body dropped from a height of 8.2 meters, but definitive results were obtained later, in the late 18th and early 19th centuries, by Giovanni Battista Guglielmini in Bologna, Johann Friedrich Benzenberg in Hamburg and Ferdinand Reich in Freiberg, using taller towers and carefully released weights. A ball dropped from a height of 158.5 m departed by 27.4 mm from the vertical compared with a calculated value of 28.1 mm. The most celebrated test of Earth's rotation is the Foucault pendulum first built by physicist Léon Foucault in 1851, which consisted of a lead filled brass sphere suspended 67 m from the top of the Panthéon in Paris. Because of Earth's rotation under the swinging pendulum, the pendulum's plane of oscillation appears to rotate at a rate depending on latitude. At the latitude of Paris the predicted and observed shift was about 11 degrees clockwise per hour. Foucault pendulums now swing in museums around the world.

Настоящий солнечный день

Период вращения Земли относительно Солнца (солнечный полдень до солнечного полудня) – это ее истинный солнечный день или видимый солнечный день. Он зависит от орбитального движения Земли и, следовательно, подвержен изменениям эксцентриситета и наклона земной орбиты. Оба параметра меняются на протяжении тысяч лет, поэтому годовое изменение истинного солнечного дня также варьируется. Как правило, в течение двух периодов года он длиннее среднего солнечного дня, а в два других – короче. refn|Когда эксцентриситет Земли превышает 0,047, а перигелий приходится на соответствующее равноденствие или солнцестояние, только один период с одним максимумом уравновешивается другим периодом, имеющим два максимума.

Средний солнечный день

Средний истинный солнечный день в течение года – это средний солнечный день, содержащий 86 400 средних солнечных секунд. В настоящее время каждая из этих секунд немного длиннее, чем секунда СИ, поскольку средний солнечный день Земли сейчас немного длиннее, чем в XIX веке, из-за приливного трения. Средняя продолжительность среднего солнечного дня с момента введения координационной секунды в 1972 году составляла примерно от 0 до 2 мс больше, чем 86 400 секунд СИ. Случайные колебания, обусловленные связью ядра и мантии, имеют амплитуду около 5 мс. Средняя солнечная секунда в период с 1750 по 1892 год была выбрана в 1895 году Саймоном Ньюкомбом в качестве независимой единицы времени в его Таблицах Солнца. Эти таблицы использовались для вычисления мировых эфемерид с 1900 по 1983 год, поэтому эта секунда получила название эфемеридной секунды. В 1967 году секунда СИ была приравнена к эфемеридной секунде. Истинное солнечное время является мерой вращения Земли, а разница между ним и средним солнечным временем известна как уравнение времени.

Звездочный и звездный день

Период вращения Земли относительно Международной небесной системы отсчета, называемый звездным днем Международной службой по вращению Земли и системам отсчета (IERS), составляет 86 164,098 903 691 секунды среднего солнечного времени (UT1). Период вращения Земли относительно прецессирующего среднего весеннего равноденствия, называемого сидерическим днем, составляет [значение] среднего солнечного времени (UT1). И звездный день, и сидерический день короче среднего солнечного дня примерно на 3 минуты 56 секунд. Это связано с тем, что Земля совершает один дополнительный оборот относительно небесной системы отсчета, вращаясь вокруг Солнца (то есть 366,24 оборота в год). Средний солнечный день в секундах СИ доступен в IERS за периоды 1623–2005 и 1962–2005 годов. В последнее время (1999–2010) среднегодовая продолжительность среднего солнечного дня, превышающая 86 400 секунд СИ, колебалась от 0,25 мс до 1 мс, что необходимо добавить к значениям звездного и сидерического дня, указанным выше в среднем солнечном времени, чтобы получить их продолжительность в секундах СИ (см. Колебания длины дня).

Угловая скорость

Угловая скорость вращения Земли в инерциальном пространстве равна ±. Умножение на (180°/π радиан) × (86 400 секунд/день) дает , 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, совершая один оборот вокруг своей оси, требует, чтобы Земля совершила немного больше одного оборота относительно неподвижных звезд, прежде чем среднее Солнце снова окажется в зените, хотя относительно среднего Солнца она совершает только один оборот (360°). Умножение значения в рад/с на экваториальный радиус Земли 6 378 137 м (эллипсоид WGS84) (множители 2π радиан взаимно уничтожаются) дает экваториальную скорость . Некоторые источники указывают, что экваториальная скорость Земли немного меньше, а именно 1 669,8 км/ч. Это получается делением экваториальной окружности Земли на 24 часа. Однако использование солнечного дня некорректно; следует использовать звездный день, а соответствующая единица времени – звездный час. Это подтверждается умножением на количество звездных дней в одном среднем солнечном дне, равное 1,002 737 909 350 795. Например, Космический центр Кеннеди расположен на 28,59° северной широты, что дает скорость: cos(28,59°) × 1 674,4 км/ч = 1 470,2 км/ч. Широта является важным фактором при выборе местоположения космодрома. Вершина вулкана Кайамбе – это точка на поверхности Земли, наиболее удаленная от оси вращения; следовательно, она вращается быстрее всего при вращении Земли.

В оси вращения

Ось вращения Земли движется относительно неподвижных звезд (инерциального пространства); компонентами этого движения являются прецессия и нутация. Она также движется относительно земной коры; это называется полярным движением. Прецессия – это вращение оси вращения Земли, вызванное главным образом внешними моментами сил, обусловленными гравитацией Солнца, Луны и других тел. Полярное движение в основном связано со свободной нутацией ядра и колебаниями Чендлера.

Резонансная стабилизация

Текущая скорость приливного замедления аномально высока, что подразумевает, что скорость вращения Земли в прошлом снижалась медленнее. Эмпирические данные показывают, что эта длина дня соответствует полусуточному резонансному периоду атмосферной волны, вызванной тепловыми процессами; при такой длине дня замедляющий лунный крутящий момент мог быть скомпенсирован ускоряющим крутящим моментом от атмосферной волны, что привело бы к нулевому результирующему моменту и постоянному периоду вращения. Этот стабилизирующий эффект мог быть нарушен резким изменением глобальной температуры. Недавние вычислительные модели подтверждают эту гипотезу и предполагают, что Мариноанское или Стурцианское оледенение разрушило эту стабильную конфигурацию около 600 миллионов лет назад; результаты моделирования достаточно хорошо согласуются с существующими палеоротационными данными. Послеледниковый подъем суши, продолжающийся с последнего ледникового периода, также изменяет распределение массы Земли, тем самым влияя на момент инерции Земли и, в соответствии с законом сохранения углового момента, на период вращения Земли. На продолжительность дня также могут влиять искусственные сооружения. Например, ученые NASA рассчитали, что вода, накопленная в плотине "Три ущелья", увеличила длину земного дня на 0,06 микросекунды из-за изменения распределения массы.

Измерение

Основной мониторинг вращения Земли осуществляется с помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, координируемой с Глобальной системой позиционирования, спутниковым лазерным дальномером и другими спутниковыми геодезическими методами. Это обеспечивает абсолютную основу для определения всемирного времени, прецессии и нутации. Абсолютное значение вращения Земли, включая UT1 и нутацию, может быть определено с использованием космических геодезических наблюдений, таких как радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой и лазерный дальномер луны, в то время как их производные, обозначаемые как приращение длины дня и скорости нутации, могут быть получены из спутниковых наблюдений, таких как GPS, GLONASS, Galileo и спутниковый лазерный дальномер до геодезических спутников.

Древние наблюдения

Зафиксированы наблюдения за солнечными и лунными затмениями вавилонскими и китайскими астрономами, начиная с VIII века до н.э., а также из средневекового исламского мира и других регионов. Эти наблюдения могут быть использованы для определения изменений в скорости вращения Земли за последние 27 веков, поскольку продолжительность дня является критически важным параметром при вычислении места и времени затмений. Изменение продолжительности дня на миллисекунды в столетие проявляется как изменение часов и тысяч километров в данных наблюдений за затмениями. Древние данные указывают на то, что в прошлом день был короче, то есть Земля вращалась быстрее.

Циклическая изменчивость

Примерно каждые 25–30 лет вращение Земли временно замедляется на несколько миллисекунд в сутки, что обычно длится около пяти лет. 2017 год был четвертым подряд годом, когда наблюдалось замедление вращения Земли. Причина этой вариабельности пока не установлена.

Происхождение

Первоначальное вращение Земли являлось следствием исходного углового момента облака пыли, камней и газа, из которого сформировалась Солнечная система. Это изначальное облако состояло из водорода и гелия, образовавшихся в результате Большого взрыва, а также из более тяжёлых элементов, выброшенных сверхновыми звёздами. Поскольку эта межзвёздная пыль неоднородна, любая асимметрия в процессе гравитационного аккреции привела к возникновению углового момента будущей планеты. Однако, если гипотеза о гигантском столкновении, объясняющая происхождение Луны, верна, то эта изначальная скорость вращения была бы изменена столкновением с Теей 4,5 миллиарда лет назад. Независимо от скорости и наклона вращения Земли до столкновения, после него продолжительность суток составляла бы около пяти часов. Затем, под воздействием приливных сил, скорость вращения замедлилась до современного значения.