Наша планета совершает сложное движение, одновременно вращаясь вокруг Солнца и вокруг собственной оси. Годовое движение происходит по эллиптической орбите со средней скоростью около 30 километров в секунду. Полный оборот вокруг Солнца, называемый звездным или сидерическим годом, Земля завершает за 365,26 суток. Ключевую роль играет постоянный наклон земной оси к плоскости орбиты под углом 66,5°. Поскольку ось сохраняет свое направление в пространстве, угол падения солнечных лучей на разные участки поверхности меняется в течение года. Это приводит к неравномерному распределению тепла и света между полушариями, что и является основной причиной смены времен года.
Солнцестояния и равноденствия: ключевые точки года
На поверхности Земли существуют особые параллели — тропики, расположенные на 23°27' к северу и югу от экватора. Над ними Солнце оказывается в зените (строго над головой) один раз в год. 22 июня, в день летнего солнцестояния, солнечные лучи падают вертикально на Северный тропик (тропик Рака). В это время в Северном полушарии наблюдается самый длинный день, наибольший приток тепла и света — наступает астрономическое лето. В приполярных областях к северу от Северного полярного круга (66°33' с.ш.) Солнце вообще не заходит за горизонт, наступает явление полярного дня, который на самом полюсе может длиться до 186 суток. В это же время в Южном полушарии царит зима, а за Южным полярным кругом — полярная ночь.
Ровно через полгода, 22 декабря, в день зимнего солнцестояния, ситуация меняется на противоположную. Солнце в зените над Южным тропиком (тропиком Козерога), и лето приходит в Южное полушарие, тогда как в Северном наступает зима. Дважды в год, 21 марта и 23 сентября, Солнце находится в зените над экватором. Эти дни называются соответственно весенним и осенним равноденствием. Оба полушария освещены одинаково, и практически на всех широтах день равен ночи, составляя по 12 часов.
Суточное вращение и смена дня и ночи
Помимо движения вокруг Солнца, Земля непрерывно вращается вокруг своей оси с запада на восток. Полный оборот, называемый звездными сутками, занимает 23 часа 56 минут и 4,0905 секунды среднего солнечного времени. Именно это вращение ответственно за смену дня и ночи: сторона, обращенная к Солнцу, освещена, а противоположная находится в тени. Понятие солнечных суток, определяемое как интервал между двумя последовательными прохождениями центра солнечного диска через меридиан наблюдателя, немного длиннее звездных суток. Это связано с тем, что за время одного оборота вокруг оси Земля также успевает сместиться по орбите вокруг Солнца. Поэтому истинная продолжительность солнечных суток в течение года немного колеблется, и для удобства используют понятие средних солнечных суток. Звездные сутки короче средних солнечных на 3 минуты 55,91 секунды.
Скорость вращения и ее последствия
Угловая скорость вращения Земли постоянна для всех точек и составляет 15° в час (360° за 24 часа). Однако линейная скорость, с которой точка на поверхности движется в пространстве, зависит от широты. Наибольшая скорость — на экваторе, около 464 метров в секунду. По мере приближения к полюсам она уменьшается, так как окружность параллелей становится меньше. Например, на широте 60° (примерно широта Санкт-Петербурга) линейная скорость падает примерно до 232 м/с. На самих полюсах скорость вращения равна нулю.
Одним из важнейших следствий осевого вращения является сила Кориолиса. Она вызывает отклонение движущихся тел (воздушных масс, океанических течений, речных потоков) в Северном полушарии вправо, а в Южном — влево от их первоначального направления. Это происходит из-за инерции: тело стремится сохранить направление движения, в то время как вращающаяся под ним Земля смещается.
Значение вращения для жизни на планете
Суточное вращение Земли имеет огромное значение для формирования климата и условий жизни. Оно обеспечивает ритмичную и благоприятную смену периодов нагревания в течение дня и охлаждения ночью, предотвращая как чрезмерный перегрев, так и сильное выхолаживание поверхности. Кроме того, именно наклон оси и годовое движение создают сезонные ритмы, к которым адаптированы все экосистемы планеты. Таким образом, сложное и согласованное вращение Земли является фундаментальной основой для существования жизни в том виде, в каком мы ее знаем.