В каком направлении вращается Земля?
То, что доставляло немало хлопот Галилео Галилею в свое время, было неопровержимым фактом с начала космических путешествий: Земля вращается! Но как именно она это делает?
Все зависит от того, как на это посмотреть. Конечно, она вращается в восточном направлении, поэтому солнце восходит на востоке и садится на западе, а земля несет нас через космос с головокружительной скоростью. И если вы пролетите достаточно далеко в космос за Северным полюсом, вы можете сказать, что он вращается против часовой стрелки.
Астрономы могли бы пойти немного дальше и назвать вращение Земли «прямым» или «правосторонним» движением.«Прогресс» просто означает «вращение в том же направлении» (противоположным было бы «ретроградное» или «встречное вращение»). Таким образом, когда говорят, что вращение Земли прямолинейно, это выражает тот факт, что Земля вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и вокруг Солнца. Это создает впечатление, будто земля вечно катится по космосу, неугомонно продвигаясь вперед по одному и тому же пути. На самом деле, большинство планет Солнечной системы вращаются точно так же. Единственными исключениями являются Венера и Уран, находящиеся в медленном ретроградном вращении.
Удивительно, но не только вращение, но и "оборот", т.е. обращение планет вокруг Солнца, совершается прямолинейно - и это касается всех без исключения планет, даже Венеры и Урана. Это означает, что они вращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и Солнце вращается вокруг себя. На самом деле почти все в нашей Солнечной системе вращается в этом направлении; даже луны вращаются вокруг своих планет таким образом. И когда астрономы изучают новые планетные системы, вращающиеся вокруг звезд, отличных от нашего Солнца, они обнаруживают, что в большинстве случаев, за некоторыми исключениями, планеты движутся в том же направлении, что и их звезды. Таким образом, движение вперед правит пространством, хотя некоторые «мятежники», кажется, восстают против него.
Формирование нашей Солнечной системы
Широко распространенное «предпочтение» прямолинейного движения известно астрономам уже несколько столетий. В конце 18 века, пытаясь объяснить этот факт, такие теоретики, как Пьер-Симон Лаплас и Иммануил Кант, разработали так называемую «небулярную теорию» формирования нашей Солнечной системы. Хотя в настоящее время существует несколько различных гипотез относительно того, как могли образоваться наше Солнце и его планеты, теория Канта-Лапласа остается наиболее широко принятой из всех предположений.
Согласно небулярной теории, Солнечная система начала свою карьеру как гигантское газовое облако (также называемое в астрофизике «туманностью»). Затем, возможно, после столкновения с другим облаком или после взрыва ближайшей звезды, это облако начало схлопываться само под действием гравитационного притяжения собственной массы. Когда облако разрушилось, теперь более компактная материя приобрела угловой момент, который она сохраняет и сегодня.
На самом деле вращаются не только планеты, звезды и галактики. Увлекательное исследование, недавно представленное группой астрономов из Мичиганского университета под руководством Майкла Лонго, рассматривает направление вращения более 15 000 спиральных галактик в той части нашего ночного неба, которая обращена к северному полюсу Млечного Пути. Оказалось, что подавляющее большинство этих галактик вращается против часовой стрелки. Это, в свою очередь, предполагает, как указывает Лонго, что Вселенная в целом обладает угловым моментом, направленным против часовой стрелки. Поскольку это должно было откуда-то появиться, можно предположить, что Вселенная уже начала вращаться вместе с Большим взрывом.
Этот угловой момент занимает центральное место во всей небесной механике. Это он заставляет небесные светила вертеться, как части гигантской заводной игрушки. Все, что движется, имеет импульс, то есть тенденцию двигаться в одном и том же направлении. В случае углового момента импульс движется по окружности вокруг точки в пространстве. Это происходит, когда существующий импульс постоянно отклоняется от своего курса под действием какой-либо другой силы. В космосе этой другой силой обычно является гравитация. Везде, где есть гравитация и движение - то есть импульс - (а это почти везде), гравитация превращает импульс в угловой момент. Это объясняет, почему вращательные и круговые движения так широко распространены в космосе. Угловой момент заставляет Млечный Путь и другие галактики вращаться, планеты вращаются вокруг своих солнц, а луны вращаются вокруг своих планет; Это также угловой момент, который заставляет Землю вращаться.
Ключевым моментом в угловом моменте является то, что, как и любой линейный импульс, он не может быть потерян; он всегда сохраняется. Согласно небулярной теории, какое бы вращение газовое облако ни имело изначально, оно было усилено его гравитационным коллапсом: поскольку его масса сохранила свой угловой момент, но теперь сжималась во все меньшие и меньшие пространства, само облако начинало вращаться все быстрее и быстрее. Известная аналогия объясняет сохранение углового момента по аналогии с фигуристкой, вращающейся на месте: как только она притягивает руки к телу, концентрация углового момента вызывает увеличение скорости ее вращения. Вероятно, так было и с нашей Солнечной системой.
Как волчок вокруг своей оси
Согласно небулярной теории, газовая туманность, возможно, диаметром в световой год, таким образом была уменьшена до размера нашей нынешней Солнечной системы. Так что со временем большое количество углового момента сошлось в небольшом пространстве. Коллапс огромного газового облака, пожалуй, лучше всего сравнить с закручиванием огромной музыкальной шкатулки. В конце концов, когда шар массы, в который превратилась туманность, в свою очередь, разрушился, его остатки сжались в плоский вращающийся диск, края которого были выброшены в космос. Поскольку гравитация сгустила вещество, распределенное в этом диске, в более или менее плотные сферы - планеты, - весь угловой момент изначально огромного облака сосредоточился на этих сферах, которые вскоре стали вращаться вокруг своей оси, как волчки.
В случае нейтронных звезд гравитационный коллапс настолько драматичен - и соответственно сильное усиление углового момента - что эти сравнительно крошечные звезды вращаются вокруг своей оси до 642 раз в секунду!
Этого первого ускорения было достаточно, чтобы наша Земля продолжала вращаться с той же скоростью до сегодняшнего дня и, возможно, в далеком будущем. Возникают также определенные силы трения - так называемые приливные силы, - которые возникают из-за гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца и, безусловно, имеют тормозящее действие. Однако это ничтожно мало: через 100 лет вращение Земли будет замедляться всего на 2,3 миллисекунды в день. Погодные системы в атмосфере также могут снижать скорость вращения, а землетрясения могут даже ускорять или замедлять ее, в зависимости от того, как землетрясение влияет на распределение массы Земли. Например, землетрясение 2011 года в Японии, похоже, ускорило вращение Земли, сдвинув массу к экватору настолько, что день сократился на 1,8 микросекунды.
До сих пор я говорил о скорости вращения Земли так, как если бы она была одинаковой повсюду на планете. Однако это не совсем так. Например, если бы вы стояли точно на одном из двух полюсов, то один оборот вокруг собственной оси занял бы целый день - но вы, конечно, не преодолели бы вообще никакого расстояния. С другой стороны, если вы расположитесь на экваторе, вы будете вращаться со скоростью 1667 км/ч - это быстрее скорости звука! Именно по этой причине запуски ракет часто происходят в тропическом климате: космический корабль получает дополнительный импульс от более высокой скорости вращения Земли.
Даже если вы отправитесь в недра земли, скорость вращения там изменится. Это связано с тем, что ядро Земли является магнитным и частично жидким. Постоянное вращение магнитного ядра Земли создает магнитное поле, а это, в свою очередь, влияет на содержащиеся в нем металлы: оно заставляет твердое внутреннее ядро Земли вращаться на восток быстрее, чем остальная часть Земли; в то же время жидкое внешнее ядро Земли вращается в противоположном направлении и таким образом - относительно остальной планеты - на запад.
Дело не только в направлении и скорости
Мои рассуждения о вращении Земли до этого момента касались только направления и скорости вращения Земли, хотя я мог бы также спросить, как она расположена в своем вращении. Из пристального наблюдения за Солнцем и планетами мы знаем, что ось вращения Земли не перпендикулярна ее орбите вокруг Солнца, а слегка наклонена. Если быть точным, то эта ось, проходящая от Северного полюса к Южному, наклонена в среднем на 23,4 градуса по отношению к так называемой плоскости эклиптики, описывающей орбиту Земли вокруг Солнца. Именно этот наклон земной оси дает нам, жителям умеренных зон, наши отчетливые времена года, потому что он обеспечивает то, что солнечное излучение происходит более или менее вертикально в разных точках земного шара в течение годового цикла и, таким образом, имеет свой максимум. эффект летом и зимой достигал минимальной эффективности.
На самом деле, то, как Земля вращается, постоянно меняется. Например, наклон земной оси колебался взад и вперед между крайними значениями 22,1 градуса и 24,5 градуса в течение 42 000 лет. В течение 26 000 лет ось также совершает один оборот по кругу, т. е. описывает - за счет своего наклона - конус; это известно как прецессия земной оси. И всего через 18-19 лет на эту прецессию накладывается другое небольшое колебание, называемое нутацией, которое возникает из-за несовершенного выравнивания экватора Земли и орбиты Луны вокруг Земли: взаимное притяжение Земли и Луны смещает ось Земли немного от их положение; вращение Земли становится неравномерным. Сербский математик Милутин Миланкович показал в 1920-х годах, что эти циклические изменения влияют на «тепловую эффективность» солнца, тем самым вызывая регулярные колебания климата, известные сегодня как циклы Миланковича.
В фильме 1978 года «Супермен» главный герой использует свои сверхчеловеческие способности, чтобы обратить вспять вращение Земли, повернуть время вспять и спасти свою возлюбленную Лоис Лейн. Какая-то другая сила может однажды изменить вращение Земли, но до тех пор мы можем быть уверены, что солнце будет продолжать восходить на востоке и садиться на западе, как и должно быть.
Вы также можете просто сказать: "Земля поворачивается в мою сторону!" - ведь каждое высказывание о направлении зависит от конкретной системы отсчета. Единственными непосредственно видимыми признаками вращения Земли являются повседневное «движение» солнца, луны и звезд по небу и связанное с этим «блуждание» теней, отбрасываемых солнечным светом. И все же мы настолько не осознаем этого движения Земли, что долгое время - и это понятно - люди верили, что Солнце и звезды движутся, а Земля остается неподвижной. Даже сегодня, наблюдая за закатом, иногда требуется напоминание о том, что вращается земля, а не солнце, опускающееся за западный горизонт. Некоторые умные астрономы Древней Греции, в том числе Аристарх Самосский, выяснили, что Земля вращается более 2000 лет назад. Однако найти соответствующие подсказки настолько сложно, что эта нить не была должным образом подхвачена до 16 века, когда астроном Николай Коперник популяризировал в Европе идею о том, что Земля вращается вокруг Солнца. Однако столетие спустя Галилео Галилею пришлось защищать то же самое убеждение от жестоких нападок со стороны церковных кругов, что в конечном итоге привело к его домашнему аресту. Его преступление? Он настаивал на том, что Земля движется вокруг Солнца, а это противоречило официальной позиции католической церкви. Мы хорошо смеемся сегодня, четыре столетия спустя, когда мы забавляемся над шатающимися отцами церкви, которые выступали против Галилея, но на самом деле его доказательства истинности его заявлений сводились к немногим большему, чем несколько наблюдений за фазами Венеры, которые он связанный с его телескопом, и который он теперь добавил к гениальному - и правильному - объяснению, данному Коперником относительно «петлей» планетарных орбит в ночном небе. После Галилея Ньютон и другие пытались оценить движение Земли по боковому отклонению падающих объектов, но без особого успеха. Только в 1851 году французскому физику Леону Фуко удалось доказать вращение Земли вокруг своей оси с помощью своего знаменитого маятника: этот маятник медленно меняет направление своих колебаний в течение суток, что можно объяснить эффектом вращения Земли на неизменный в остальном импульс. Сейчас, конечно, мы можем покинуть Землю и наблюдать за ее вращением, так сказать, «извне», а именно из космоса.