3.1. Движение Земли по орбите вокруг Солнца

Земля, подобно другим планетам, движется вокруг Солнца. Этот путь Земли называют орбитой (лат. orblta – колея, дорога). Доказательствами орбитального движения Земли служат явления аберрации света звезд и их параллактическое смещение, которым присущ периодический характер. Периодичность равна одному году, что соответствует времени обращения Земли вокруг Солнца.

Отражением движения Земли по орбите является движение Солнца по эклиптике. Эклиптика – большой круг небесной сферы, образующийся при пересечении ее плоскостью орбиты. Плоскость эклиптики наклонена к плоскости небесного экватора и пересекается с ней под углом 23°27'. Места их пересечения называются точками весеннего и осеннего равноденствия. В этих точках Солнце бывает дважды в году – 21 марта и 23 сентября при переходе из южного полушария в северное и наоборот (см. рис. 1).

Орбита Земли – эллипс, близкий к окружности, в одном из фокусов которого находится Солнце. Расстояние от Земли до Солнца изменяется в течение года от 147 млн км в перигелии (2 января) до 152 млн км в афелии (5 июля). Длина орбиты более 930 млн км. Земля (точнее, барицентр) движется по орбите с запада на восток, совпадая с направлением ее осевого вращения, со средней скоростью около 29,8 км/с и проходит весь путь за 365 сут. 6 ч 9 мин 9 с. Этот промежуток времени называют звездным (сидерическим) годом.

Тропический год – промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Он на 20 мин короче сидерического года и равен 365 сут. 5 ч 48 мин 46 с, так как точка весеннего равноденствия медленно смещается в направлении движения Земли по орбите (навстречу видимому годичному движению Солнца) на угол 50" в год и равноденствие наступает раньше, чем Солнце пройдет 360° по эклиптике. Это явление было названо предварением равноденствий, и вызвано оно прецессией. Прецессия – медленное конусообразное вращение земной оси вокруг перпендикуляра к плоскости орбиты с вершиной в центре Земли (рис. 12). Период ее полного оборота составляет около 26 тыс. лет. Прецессия обусловлена притяжением Солнцем и Луной экваториальной выпуклости Земли и стремлением их повернуть земную ось в пер пендикулярное положение к плоскости орбиты, чтобы совместить плоскости небесного экватора и эклиптики. Но Земля, как всякое вращающееся тело, противодействует этим силам, что вызывает конусообразное вращение ее оси вокруг полюсов (подобно оси вращающегося волчка). Из-за изменения положения земной оси и оси мира изменяется положение в пространстве земного и небесного экватора и соответственно точек весеннего и осеннего равноденствия.

Благодаря предварению равноденствий постепенно смещается на более ранние сроки начало всех сезонов года. Через 13 тыс. лет поменяются местами даты весеннего и осеннего равноденствия, лето северного полушария будет приходиться на декабрь, январь и февраль, а зима – на июнь, июль и август.

Следствием прецессии является также перемещение полюсов мира среди звезд. Если сейчас близлежащей звездой к Северному полюсу мира (Р) является Полярная звезда в созвездии Малая Медведица, то через 13 тыс. лет на ее месте окажется и станет полярной звезда Вега в созвездии Лира.

В современную эпоху ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5° и перемещается в течение года в пространстве параллельно самой себе. Это приводит к смене времен года и неравенству дня и ночи – важнейшим следствиям обращения Земли по орбите вокруг Солнца.

Если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты, то светораздельная плоскость и терминатор (светораздельная линия на поверхности Земли) проходили бы через оба полюса и делили бы все параллели пополам, день всегда был бы равен ночи и солнечные лучи на экватор в полдень падали бы всегда отвесно. По мере удаления от экватора угол их падения уменьшался бы и на полюсах становился бы равным нулю (рис. 13). В этих условиях нагревание земной поверхности в течение года уменьшалось бы от экватора к полюсам и смены времен года не было бы.

Наклон земной оси к плоскости орбиты и сохранение ее ориентировки в пространстве обусловливают различный угол падения солнечных лучей и соответственно различия в поступлении тепла на земную поверхность в разные сезоны года, а также неодинаковую продолжительность дня и ночи в течение года на всех широтах, кроме экватора, где день и ночь всегда равны 12 ч.

22 июня земная ось северным концом обращена к Солнцу (рис. 14, слева). В этот день – день летнего солнцестояния – солнечные лучи в полдень отвесно падают на параллель 23,5° с. ш. – это Северный тропик (греч. tropikas – круг поворота). Все параллели севернее экватора до 66,5° с. ш. большую часть суток освещены – на этих широтах день длиннее ночи. Севернее 66,5° с. ш. в день летнего солнцестояния территория полностью освещена Солнцем – там полярный день. Параллель 66,5° с. ш. является границей, с которой начинается полярный день,– это Северный полярный круг. В этот же день на всех параллелях южнее экватора до 66,5° ю. ш. день короче ночи. Южнее 66,5° ю. ш. территория не освещена совсем – там полярная ночь. Параллель 66,5° ю. ш. – Южный полярный круг. 22 июня – начало астрономического лета в северном полушарии и астрономической зимы в южном полушарии.

22 декабря земная ось южным концом обращена к Солнцу (рис. 14, справа). В этот день – день зимнего солнцестояния – солнечные лучи в полдень отвесно падают на параллель 23,5° ю. ш. – Южный тропик. На всех параллелях южнее экватора до 66,5° ю. ш. день длиннее ночи. Начиная с Южного полярного круга устанавливается полярный день. В этот день на всех параллелях севернее экватора до 66,5° с. ш. день короче ночи. За Северным полярным кругом – полярная ночь. 22 декабря – начало астрономического лета в южном полушарии и астрономической зимы в северном полушарии.

Рис. 14. Освещение Земли и полуденная высота Солнца над горизонтом на разных широтах в дни летнего и зимнего солнцестояния

21 марта – в день весеннего равноденствия – и 23 сентября – в день осеннего равноденствия – терминатор проходит через оба полюса Земли и делит все параллели пополам. Северное и южное полушария в эти дни освещены одинаково, день всюду на Земле равен ночи (см. рис. 12). Солнце в полдень находится в зените над экватором. На Земле 21 марта и 23 сентября – начало астрономической весны и астрономической осени в соответствующих полушариях.

Со сменой времен года связана сезонная ритмичность в природе. Она проявляется в изменении температуры, влажности воздуха и других метеорологических показателей, в режиме водоемов, в жизни растений, животных и т. д.

В результате годового движения Земли по орбите и наклона оси ее вращения к плоскости орбиты на Земле образовались пять поясов освещения, ограниченных тропиками и полярными кругами. Они отличаются высотой полуденного стояния Солнца над горизонтом, продолжительностью дня и тепловыми условиями.

Жаркий пояс лежит между тропиками. В его пределах Солнце два раза в году бывает в зените, на тропиках – по одному разу в год, в дни солнцестояний (и этим они отличаются от всех остальных параллелей). На экваторе день всегда равен ночи. На других широтах этого пояса продолжительность дня и ночи мало меняется в течение года. Жаркий пояс занимает около 40% земной поверхности.

Умеренные пояса (их два) располагаются между тропиками и полярными кругами. Солнце в них никогда не бывает в зените. В течение суток обязательно происходит смена дня и ночи, причем продолжительность их зависит от широты и времени года. Близ полярных кругов (с 60 до 66,5° ш.) летом наблюдаются светлые белые ночи с сумеречным освещением. Общая площадь умеренных поясов составляет 52% земной поверхности.

Холодные пояса (их два) находятся к северу от Северного и к югу от Южного полярных кругов. Эти пояса отличаются наличием полярных дней и ночей, продолжительность которых постепенно увеличивается от одних суток на полярных кругах (и этим они отличаются от всех остальных параллелей) do полугода на полюсах. В начале и в конце полярных ночей в течение 2 – 3 недель наблюдаются белые ночи. Общая площадь холодных поясов составляет 8% земной поверхности.

Пояса освещения – основа климатической зональности и природной зональности вообще.

Календарь – это система измерения больших промежутков времени, основанная на периодических явлениях окружающего мира. Существуют солнечные, лунные и лунно-солнечные календари.

Солнечный календарь основан на годичном движении Солнца по эклиптике в течение тропического года. В Европе известны два солнечных календаря: юлианский (старый стиль) и григорианский (новый стиль). Юлианский календарь был введен Юлием Цезарем в 45 г. до н. э. в Древнем Риме. В нем было три простых года по 365 дней и один високосный год с 366 днями – тот, число которого делилось на 4. Добавочный день в четвертом году цикла прибавлялся к февралю (29 февраля). В этом календаре ошибка в одни сутки накапливалась за 128 лет, и тогда весеннее равноденствие наступало на одни сутки раньше, чем по календарю.

В государствах Европы юлианский календарь был введен в 325 г. н. э. В то время весеннее равноденствие приходилось на 21 марта. В 1582 г. погрешность календаря достигла 10 суток и день весеннего равноденствия переместился по календарю на 11 марта. Это обстоятельство вносило путаницу в расчеты дней наступления праздника Пасхи, который празднуют в первое воскресенье после первого весеннего полнолуния. Возникла необходимость реформы календаря.

Проект реформы был разработан итальянским ученым Л. Лилио Гаралли, а утвержден указом папы римского Григория XIII (отсюда название григорианского календаря). Реформа календаря состояла в следующем: 1) погашении погрешности в 10 суток между днем весеннего равноденствия и его календарной датой, поэтому следующим числом после 4 октября 1582 г. стали считать 15 октября 1582 г., в связи с чем начало астрономической весны опять передвигалось на 21 марта; 2) впредь все «круглые» годы, число столетий которых не делится без остатка на 4 (1700г., 1800 г., 1900 г., 2100 г., 2200 г. и т. д.), стали считать простыми годами, а 1600 г., 2000 г., 2400 г. и т. п. – по-прежнему високосными. Это позволило практически прекратить в будущем переход равноденствий, так как ошибка в одни сутки теперь накапливается примерно за 3300 лет. В католических государствах Европы этот календарь был введен давно, а в России он был принят лишь 1 февраля 1918 г., когда 1 февраля посчитали 14 февраля, так как в XX в. разница между старым и новым стилями составляла уже 13 суток. В результате 1918 г. оказался в России самым коротким годом в XX в.