Орбиты планет солнечной системы. Орбиты планет солнечной системы Эксцентриситет орбиты планеты

И. Кулик, И.В. Кулик

Методика определения эксцентриситета орбиты планеты

Ключевые слова: время, орбита, линия апсид, линия параметров, средняя аномалия, истинная аномалия, уравнение центра, луч времени.

V.I. Kulik, I.V. Kulik

Technique of definition of eccentricity of an orbit of the planet

The technique of definition eccentricity orbits only by measurement of angular position of a planet is offered.

Keywords: time, orbit, the line of apses, the line parameters, mean anomaly, the true anomaly, the equation of the center, evenly rotating beam time.

Имеются различные выражения для определения эксцентриситета орбиты.

Вот ряд выражений для определения эксцентриситета «е» орбиты .

Рис. 1. При движении от RB к RH , при с = 1,5; A = 4,5; Ro = 4, если

если ¥ = ^, то < = 1,230959418

5. e = VH - VB VH + VB

R B - RH RB + RH

Однако почти все выражения содержат линейные В теоретической астрономии рассматривается связь

параметры, которые, находясь на Земле, измерить между истинной аномалией ф и средней аномалией %

непосредственно невозможно. Параметры орбиты планеты. В движении Земли по орбите, см. рис. 2,

(рис. 1). Мы преследуем цель, определить истинной аномалией положения Земли на орбите

эксцентриситет любой планетной системы, измеряя является угол ф между радиус-векторами: Солнце

только её угловое положение на небесной сфере и (фокус орбиты М) - перигелий и Солнце - Земля т. период обращения её вокруг центра.

Рис. 2. Параметры орбиты

Средней аномалией называется угол между радиус-вектором Солнце - перигелий (на линии апсид) и радиус-вектором (на рис. 2 не показан), равномерно вращающимся (в направлении движения Земли) с

угловой скоростью п = , где Т - период

обращения Земли вокруг Солнца, выраженный в солнечных (средних) единицах.

Причём, вращение вектора (Солнце М - Земля т) происходит так, что его конец, расположенный на орбите и движущийся по ней неравномерно, одновременно с концом вектора равномерно вращающимся (в направлении движения Земли) с

угловой скоростью п = ■

проходит точки апсид,

т. е. для точек апсид имеем ф = £. С величиной п средняя аномалия определяется по формуле: * / 2 - п.

где t - интервал времени с момента прохождения

Земли через перигелий. Разность ф - £ = ф---1 =

П называется уравнением центра. Она отражает неравномерность годичного движения Земли; это в той же мере относится к видимому годичному движению Солнца. В теоретической астрономии формула этой разности определена приближённо .

В районе перигея (ПЕ) движение планеты быстрое, а в районе апогея (АП) оно медленное. На участке траектории между ПЕ и АП радиус-вектор обращения Земли движется впереди равномерно вращающегося луча времени, т. е. угол р > С (рис. 3), тогда как на другой половине орбиты, или по другую сторону от

линии апсид, между точками АП и ПЕ, радиус-вектор обращения Земли движется позади равномерно вращающегося луча времени, т. е. угол р < С

(рис. 3). На рис. 3 показан, также, перенос начала отсчёта движения из перигея т. О на линии апсид в т. Ог (в т.) на линии равноденствий.

И если мы отсчёт времени (и других параметров) ведём от линии апсид (от точки ли ПЕ начался новый естественный цикл движения или от точки АП), то расчёты показывают симметричность всех параметров, см. график ф относительно линии сд. Но если мы сместим точку отсчёта на линию равноденствий в т. Ог (в т. Г2) (рис. 3), то симметрия разрушается, см. график ф" относительно линии С, см. рис. 3. Также как график угла р", и график угла Т] не симметричн относительно линии С". Только в районе, указанном стрелками Б, планета «обгоняет» время и угол р" >

С, во всех других точках траектории планета «отстаёт» от равномерно вращающегося луча времени и угол (< д (рис. 3).

График угла восхождения Солнца, угла / , всегда рассматривается между точками весеннего и осеннего равноденствия, т. е. между точками у и О на линии

равноденствий, он подобен относительно линии С

(или линии времени?" = С"р), однако по продолжительности времени (т. е. в зависимости от времени) различен по обе стороны от линии равноденствий (рис. 2 и 3).

Рис. 3. Смена начала отсчёта: О - от перигея, О" - от линии равноденствий

Эксцентриситет орбиты можно определить из уравнения средней аномалии планеты, а именно:

Расшифровка предложенной формулы (*) при движении от апогея (АП):

где = 2 arcSin J^1 * e^ zA ; откуда z^ = Sin2 ^ .

В свою очередь величина zA зависит от угла фА или za =~л-~-, откуда истинная аномалия

планеты: (a = arcCoS

Расшифровка предложенной формулы (*) при движении от перигея (ПЕ):

%п =^f- fn =^п - e sinvnl

¥ zn -eK.-e)J¿)

где ЩП = 2 arcSin J--- zп, откуда zП = -2- Sin2 ^П-

В свою очередь величина 2П зависит от угла фП или Zп

(1- cos(п) 1 + e cos рп

откуда истинная аномалия

планеты: рп = arcCoS

Далее. На рис 4 и 5 показаны орбиты планеты, имеющие одно и то же среднее расстояние А от центра, вокруг которого обращается планета. Кроме того, на рис. 4, орбиты показаны с неподвижным (фиксированным) центром симметрии в точке О и переменным положением фокуса (/1, /2,/з) орбиты, а на рис. 5, орбиты показаны с неподвижным (фиксированным) положением фокуса в точке ^ и переменным положением центра симметрии (точки О г,

О2, Оз), орбиты. Радиус Яо - есть параметр орбиты (рис. 2).

В приведённой формуле (*) знак (+) соответствует случаю, когда за начало отсчёта или движения принято начало движения от апогея к перигею, то есть, от радиуса Яв (или Яап) до радиуса Ян (или Япе), а знак (-) соответствует случаю, когда за начало отсчёта или движения принято начало движения от перигея к апогею, то есть, от радиуса Ян (или Япе) до радиуса Яв (или Яап).

Рис. 4. Параметры орбит при неподвижном центре симметрии О

Рис. 5. Параметры орбит при неподвижном фокусе F

Если рассмотреть, рис. 2, 4 и 5, когда движение планеты от апогея (от радиуса Яв) на угол (в = Ра =

, (а до (а = 2~ " - планета приближается к центру масс (к фокусу орбиты) и

формула (1) упрощается, - то пройдет время:

arcSin^1 + e) + e-у/1 - e2

или tB = tA =

Если рассмотреть, рис. 2, 4 и 5, когда движение планеты от перигея (от радиуса Ян) на угол Рн =Рп = 2" , то

есть, - движение от угла (п = 0 до Рп =, - планета удаляется от центра масс (от фокуса орбиты) и формула (2) упрощается, - то пройдет время:

или tH = tn = -

Тогда средняя аномалия планеты при движении планеты от апогея будет:

= " tA =¥a + e - sin^A = 2 arcSinу "(1 + e)

E - jre = 2 - arcSin + e-JR0 . 2 V2 - A V A

Здесь везде имеем: (а = Рп = , и = 1п = 0 . Соответственно средняя аномалия планеты при движении планеты от перигея будет:

Tn =Wu - e - sin^n = 2 - arcSin - e-^l 1 - e2 = 2 - arcSin^^-.

Если теперь рассмотреть две упрощённые формулы, а именно:

Др - tA = 2 - arcSin Aii+^i + e-V 1 - e2

Tn = 2 - arcSin J- e-VI-\

то в каждой из них помимо периода обращения Т видны ещё якобы две неизвестные величины: и и е. Но это не так. Из астрономических наблюдений мы всегда можем определить: 1) период обращения планеты - Т; 2) угол

Рд = Рп = - поворота луча, по которому движется планета; 3) время tA или за которое указанный луч

повернётся на угол р^ = рд = рц = - от линии апсид.

Если звёздный период обращения планеты есть Т=31558149,54 секунды, а луч, на котором находится планета,

поворачивается на угол рг- = рА = -, и при этом, интервал времени с момента прохождения Земли через апогеи

линии апсид, или время tА движения планеты от апогея на угол р = - есть величина

г = Т.0,802147380127504 = 8057787,80589431 [с], п

то из трансцендентного уравнения

ГА = ^Т. 0,802147380127504 ^ = = 2.0,802147380127504 = 1, 6042947602 5501= 2. агсВт^1^ + е ^ 1_ е2 ,

или 0,802147380127504[рад] = агсБт^1^ +£^ 1 _е2 ,

определяем эксцентриситет.

Значение эксцентриситета получается равным е = 0,01675000000.

Аналогично, если интервал времени с момента прохождения Земли через перигей линии апсид, или время ^ движения планеты от перигея на угол

р = Ж есть величина гП =Т. 0,768648946667393 = 7721286,96410569 [с], то из 2 п

трансцендентного уравнения

ГП = -.(Т. 0,768648946667393

ЬП Т П Т I п

2-0,768648946667393 = 1,53729789333479 = 2 arcSini^-^ _1 _e2

или 0,768648946667393 = а^т^-^ _£1 _е2 ,

можно определить эксцентриситет орбиты.

Значение эксцентриситета получается равным е = Здесь + £д = 1,6042947602550 + 1,53729789333479: 0,016750000. 3,14159265358979 = п.

Здесь всегда фл + фп = п. Здесь всегда

Понятно, что задача эта обратимая, и по двум другим известным величинам всегда можно найти

^ + t^ = - неизвестную третью величину.

Литература

1. Кулик В.И. Организация планет в солнечной системе. Структурная организация и колебательные движения планетных систем в многомассовой солнечной системе / В.И. Кулик, И.В. Кулик // Verlag. - Deutschland: Lap lambert Academic Publishing, 2014. - 428 с.

2. Михайлов А.А. Земля и её вращение. - М.: Наука, 1984.

3. Халхунов В.З. Сферическая астрономия. - М.: Недра, 1972. - 304 с.

Эксцентриситет (обозначается e или ε) входит в шестёрку кеплеровских элементов орбиты. Наряду с большой полуосью он определяют форму орбиты.

Определение эксцентриситета

Первый закон Кеплера гласит о том, что орбиты любой планеты Солнечной системы представляет собой эллипс. Эксцентриситет определяет, насколько орбита отлична от окружности. Он равен отношению расстояния от центра эллипса (c) до его фокуса большой полуоси (a).

У окружности фокус совпадает с центром, т.е. c = 0. Также любого эллипса c 1 – гиперболой. То есть, объект, орбита которого имеет эксцентриситет, равный или больший единицы, уже не обращается вокруг другого объекта. Примером тому являются некоторые кометы, которые, однажды, посетив Солнце, больше никогда к нему не вернуться. При эксцентриситете, равном бесконечности орбита представляет собой прямую линию.

Эксцентриситеты объектов Солнечной Системы

Орбита Седны. В центре координат — Солнечная система, окруженная роем планет и известных объектов пояса Койпера.

В нашей системе орбиты планет ничем не примечательны. Самой «круговой» орбитой обладает . Её афелий всего-лишь на 1,4 млн. км.больше перигелия, а эксцентриситет равен 0,007 (у Земли – 0,016). По довольно вытянутой орбите движется Плутон. Обладая ε = 0,244, он временами приближается к Солнцу даже ближе чем Нептун. Однако, поскольку Плутон не так давно попал в разряд карликовых планет, самую вытянутую орбит среди планет теперь имеет Меркурий, обладающий ε = 0,204.

Среди карликовых планет наиболее примечательна Седна. Обладая ε = 0,86, она делает полный оборот вокруг Солнца почти за 12 тысяч лет, удаляясь от неё в афелии более чем на тысячу астрономический единиц. Однако даже это несравнимо с параметрами орбит долгопериодических комет. Периоды их обращения порой исчисляются миллионами лет, а многих из них и вовсе никогда не вернутся к Солнцу – т.е. обладают эксцентриситетом, большем 1. может содержать триллионы комет, удалённых от Солнца на 50-100 тысяч астрономических единиц (0,5 – 1 световых лет). На таких расстояниях на нихмогут влиять другие звёзды и галактические приливные силы. Поэтому такие кометы могут обладать очень непредсказуемыми и непостоянными орбитами с самими различными эксцентриситетами.

Наконец, самым интересным является то, что даже Солнце обладает совсем ни круговой орбитой, как это может показаться на первый взгляд. Как известно, Солнце движется вокруг центра Галактики, проделывая свой путь за 223 млн. лет. Причём, из-за бесчисленного взаимодействия со звездами она получила довольно ощутимый эксцентриситет, равный 0,36.

Эксцентриситеты в других системах

Сравнение орбиты HD 80606 b с внутренними планетами Солнечной системы

Открытие других солнечных систем неизбежно влечёт открытие планет с очень причудливыми параметрами орбит. Примером тому служат эксцентричные юпитеры, газовые гиганты с довольно высокими эксцентриситетами. В системах, имеющие такие планеты невозможно существование планет, подобных Земле. Они неизбежно упадут на гиганты или же статут их спутниками. Среди обнаруженных на данный момент эксцентричных юпитеров самым большим эксцентриситетом обладает HD 80606b. Он движется вокруг звезды чуть меньшей, чем наше Солнце. Эта планета в перигелии приближается к звезде в 10 раз ближе, чем Меркурий к Солнцу, тогда как в афелии она удаляется от неё почти на астрономическую единицу. Таким образом, она имеет эксцентриситет 0,933.

Стоит отметить, что хоть данная планета и пересекает зону жизни, ни о каких видах привычной биосферы не может идти и речи. Её орбита создаёт на планете экстремальный климат.За короткий период сближения со звездой температура её атмосферы за считанные часы меняется на сотни градусов, в результате чего скорость ветров достигают многих километров в секунду. Подобными условиями обладают прочие планеты с высокими коэффициентами. Тот же , к примеру, при приближение к Солнцу приобретает обширную атмосферу, которая оседает в виде снега при удалении. В тоже время все Землеподобные планеты обладают орбитами, близкими к круговым. Поэтому эксцентриситет можно назвать одним из параметров, определяющим возможность наличия органической жизни на планете.

Несколько веков назад, люди полагали, что Земля центр Солнечной системы. Постепенно это представление было заменено гелиоцентрическим представлением. С учетом этого пришло и осознание того, что планеты вращаются вокруг Солнца.

Когда Плутон был расклассифицирован в Карликовую планету, Меркурий стал планетой с самой эксцентричной орбитой. Эксцентриситет орбиты это то, насколько планета отклоняется от круглой форма. Если орбита идеальный круг, то она имеет эксцентриситет равный нулю, и это число увеличивается с увеличением эксцентриситета. Эксцентриситет Меркурия - 0,205. Его орбита находится в диапазоне от 46 миллионов км в самой ближайшей точке к Солнцу и 70 миллионов км в самой дальней точке. Самая ближайшая точка к Солнцу на орбите, называется перигелий, а самая дальняя точка - афелий. Меркурий - самая быстрая планета, ему требуется всего 88 земных дней, чтобы сделать оборот вокруг Солнца.

Эксцентриситет Венеры самый маленький в нашей Солнечной системе, составляет 0,007, т.е орбита Венеры почти идеальный круг. Орбита Венеры колеблется от 107 миллионов км в перигелии до 109 миллионов км в афелии. Венере требуется 224,7 земных дней, чтобы сделать оборот вокруг Солнца. Фактически день на Венере длиннее, чем год, потому что планета очень медленно вращается. Если смотреть из Северного полюса мира, все планеты вращаются против часовой стрелки, но Венера вращается по часовой стрелке, это единственная планета имеющая такое вращение.

У Земли тоже очень маленький эксцентриситет - 0,017. В среднем планета находится в 150 миллионах км от Солнца, но расстояние может варьироваться от 147 до 150 миллионов км. Нашей планете необходимо примерно 365,256 дня, чтобы сделать оборот вокруг Солнца, это и есть причина високосных годов.

Эксцентриситет Марса — 0,093, что делает его орбиту одной из самых эксцентричных в Солнечной системе. Перигелий Марса составляет 207 миллионов км, и его афелий 249 миллионов км от Солнца. В течение долгого времени орбита Марса становилась более эксцентричной. Красной планете требуется 687 земных суток, чтобы обернуться вокруг Солнца.

Юпитер имеет эксцентриситет 0,048, с перигелием 741 миллионов км и афелием 778 миллионов км. Ему необходимо 4331 земных дня, т.е 11,86 наших лет, чтобы облететь Солнце.

Эксцентриситет Сатурна - 0,056. Ближайшая точка к Солнцу на орбите Сатурна расположена в 1,35 миллиардов км, а самая дальняя точка удалена от Солнца на 1,51 миллиард км. В зависимости от того, какую позицию Сатурн занимает на своей орбите, его кольца либо видны, либо почти незаметны. Один оборот вокруг Солнца занимает 29,7 земных лет. Фактически, с момента обнаружения Сатурна в 1610 году, немногим более чем за 400 лет, он сделал всего 13 оборотов вокруг Солнца.

Перигелий Урана 2,27 миллиардов км, а афелий 3 миллиарда км от Солнца. Его эксцентриситет 0,047. Урану необходимо 84,3 земных лет, чтобы обернуться вокруг Солнца. Уран уникален, потому что он фактически вращается на боку с осевым наклоном почти в 99°.

Эксцентриситет Нептуна, почти настолько же низок как у Венеры. Перигелий планеты составляет 4,45 миллиардов км и афелий 4,55 миллиардов км. Так как Плутон был реклассифицирован как Карликовая планета, Нептун - планета с орбитой, самой дальней от Солнца.

Известны три циклических процесса , приводящих к медленным, так называемым вековым колебаниям значений солнечной постоянной. С этими колебаниями солнечной постоянной обычно связывают соответствующие вековые изменения климата, что нашло отражение ещё в работах М.В. Ломоносова, А.И. Воейкова и др. В дальнейшем при разработке этого вопроса возникла астрономическая гипотеза М. Миланковича , объясняющая изменения климата Земли в геологическом прошлом. Вековые колебания солнечной постоянной связаны с медленными изменениями формы и положения земной орбиты, а также ориентировки земной оси в мировом пространстве, обусловленными взаимными притяжением Земли и других планет. Поскольку массы других планет Солнечной системы значительно меньше массы Солнца, их влияние сказывается в виде малых возмущений элементов орбиты Земли. В результате сложного взаимодействия сил тяготения путь Земли вокруг Солнца представляет собой не неизменный эллипс, а достаточно сложную замкнутую кривую. Облучение Земли, следующей по этой кривой, непрерывно изменяется.

Первый циклический процесс − это изменение формы орбиты от эллиптической к почти круговой с периодом около 100 000 лет; он называется колебанием эксцентриситета. Эксцентриситет характеризует вытянутость эллипса (малый эксцентриситет – круглая орбита, большой эксцентриситет – орбита − вытянутый эллипс). Оценки показывают, что характерное время изменения эксцентриситета равно 10 5 лет (100 000 лет).

Рис. 3.1 − Изменение эксцентриситета орбиты Земли (без учета масштаба) (из Дж. Силвер, 2009)

Изменения эксцентриситета – непериодические. Они колеблются около значения 0,028 в пределах от 0,0163 до 0,0658. В настоящее время эксцентриситет орбиты равен 0,0167 продолжает уменьшаться, причем минимальное значение его будет достигнуто через 25 тыс. лет. Предполагаются и более длительные периоды уменьшения эксцентриситета − до 400 тыс. лет. Изменение эксцентриситета земной орбиты приводит к изменению расстояния между Землей и Солнцем, а следовательно, и количества энергии, поступающей в единицу времени на единичную площадку, перпендикулярную солнечным лучам на верхней границе атмосферы. Получено, что при изменении эксцентриситета от 0,0007 до 0,0658 разность между потоками солнечной энергии от эксцентриситета для случаев, когда Земля проходит перигелий и афелий орбиты, меняется от 7 до 20−26 % солнечной постоянной. В настоящее время орбита Земли мало эллиптична и разность потока солнечной энергии около 7 %. Во время наибольшей эллиптичности эта разность может достигать 20−26 %. Из этого следует, что при малых эксцентриситетах количество солнечной энергии, поступающей на Землю, находящуюся в перигелии (147 млн км) или афелии (152 млн км) орбиты, различаются незначительно. При наибольшем эксцентриситете в перигелий приходит энергии больше, чем в афелий, на величину, составляющую четверть солнечной постоянной. В колебаниях эксцентриситета выделены следующие характерные периоды: около 0,1; 0,425 и 1,2 млн лет.

Второй циклический процесс − это изменение наклона земной оси к плоскости эклиптики, имеющее период около 41 000 лет. За это время наклон меняется от 22,5° (21,1) до 24,5° (рис. 3.2). В настоящее время он составляет 23°26"30"". Увеличение угла приводит к увеличению высоты Солнца летом и уменьшению зимой. При этом инсоляция увеличится в высоких широтах, на экваторе – несколько уменьшится. Чем меньше этот наклон, тем меньше различия между зимой и летом. Более теплые зимы бывают более снежными, а более холодные лета не дают всему снегу растаять. Снег накапливается на Земле, способствуя росту ледников. При росте наклона сезоны выражены более резко, зимы холоднее и снега меньше, а лето теплее и больше снега и льда тает. Это способствует отступлению ледников в полярные районы. Таким образом, увеличение угла усиливает сезонные, но уменьшает широтные различия в количестве солнечной радиации на Земле.

Рис. 3.2 – Изменение наклонения оси вращения Земли с течением времени (из Дж. Силвер, 2009)

Третий циклический процесс − это колебание оси вращения земного шара, называемое прецессией. Прецессия земной оси – это медленное движение оси вращения Земли по круговому конусу. Изменение ориентировки земной оси в мировом пространстве, обусловлено несовпадением центра Земли, вследствие ее сплюснутости, с осью притяжения Земля−Луна−Солнце. В итоге ось Земли описывает некоторую коническую поверхность (рис. 3.3). Период этого колебания около 26 000 лет.

Рис. 3.3 – Прецессия орбиты Земли

В настоящее время Земля ближе к Солнцу в январе, чем в июне. Но вследствие прецессии через 13 000 лет она будет ближе к Солнцу в июне, чем в январе. Это приведет к росту сезонных колебаний температуры Северного полушария. Прецессия земной оси приводит к взаимному изменению положения точек зимнего и летнего солнцестояния относительно перигелия орбиты. Период, с которым повторяется взаимное положение перигелия орбиты и точки зимнего солнцестояния, равен 21 тыс. лет. Еще сравнительно недавно, в 1250 г., перигелий орбиты совпадал с точкой зимнего солнцестояния. Теперь Земля проходит перигелий 4 января, а зимнее солнцестояние осуществляется 22 декабря. Разница между ними составляет 13 суток, или 12º65". Следующее совпадение перигелия с точкой зимнего солнцестояния произойдет через 20 тыс. лет, а предыдущее было 22 тыс. лет назад. Однако между указанными событиями с перигелием совпадала точка летнего солнцестояния.

При малых эксцентриситетах положение точек летнего и зимнего солнцестояния относительно перигелия орбиты не приводит к существенному изменению количества тепла, поступающего на землю в течение зимнего и летнего сезонов. Картина резко меняется, если эксцентриситет орбиты оказывается большим, например 0,06. Таким эксцентриситет был 230 тыс. лет назад и будет через 620 тыс. лет. При больших эксцентриситетах Земля часть орбиты, прилегающую к перигелию, где количество солнечной энергии наибольшее, проходит быстро, а оставшуюся часть вытянутой орбиты через точку весеннего равноденствия к афелию − медленно, долго находясь на большом удалении от Солнца. Если в это время перигелий и точка зимнего солнцестояния совпадают, в Северном полушарии будет наблюдаться короткая теплая зима и долгое прохладное лето, в Южном полушарии − короткое теплое лето и долгая холодная зима. Если же с перигелием орбиты будет совпадать точка летнего солнцестояния, то в Северном полушарии будет наблюдаться жаркое лето и длительная холодная зима, в Южном – наоборот. Длительное прохладное и влажное лето является благоприятным фактором для роста ледников в полушарии, где сосредоточена основная часть суши.

Таким образом, все перечисленные разновеликие колебания солнечной радиации накладываются друг на друга и дают сложный вековой ход изменения солнечной постоянной, а следовательно, существенное влияние на условия формирования климата посредством изменения прихода количества солнечной радиации. Наиболее резко колебания солнечного тепла выражаются тогда, когда все эти три циклических процесса совпадают по фазе. Тогда возможны великие оледенения илиполное таяние ледников на Земле.

Подробное теоретическое описание механизмов влияния астрономических циклов на земной климат было предложено в первой половине XX в. выдающимся сербским астрономом и геофизиком Милутином Миланковичем, который разрабатывал теорию периодичности ледниковых периодов. Миланкович выдвинул гипотезу, что циклические изменения эксцентриситета орбиты Земли (ее эллиптичность), колебания угла наклона оси вращения планеты и прецессия этой оси могут вызывать существенные изменения климата на Земле. Например, около 23 млн лет назад совпали периоды минимального значения эксцентриситета земной орбиты и минимального изменения наклонения оси вращения Земли (именно этот наклон ответствен за смену времен года). В течение 200 тыс. лет сезонные изменения климата на Земле были минимальными, так как орбита Земли была практически круговой, а наклон земной оси почти не менялся. Как итог, разница в летних и зимних температурах на полюсах составляла всего несколько градусов, льды за лето не успевали таять, и произошло заметное увеличение их площади.

Теория Миланковича неоднократно подвергалась критике, так как вариации радиации по указанным причинам относительно невелики , и высказывались сомнения, могут ли столь малые изменения радиации высоких широт вызывать существенные колебания климата и приво­дить к оледенениям. Во второй половине XX в. было получено значительное количество новых фактических данных о глобальных колебаниях климата в плейстоцене. Значительную долю среди них составляют колонки океанических отложений, которые имеют важное преимущество перед наземными отложениями, заключающееся в значительно большей целостности последовательности отложений, нежели на суше, где отложения часто смещались в пространстве и многократно переотлагались. Затем был проведен спектральный анализ таких океанских последовательностей, относящихся к последним примерно 500 тыс. лет. Для анализа были отобраны две колонки из центральной части Индийского океана между субтропической конвергенцией и антарктическим океанским полярным фронтом (43–46° ю. ш.). Этот район одинаково далеко расположен от материков и потому мало подвержен влиянию колебаний эрозионных процессов на них. В то же время район характеризуется достаточно большой скоростью осадконакопления (более 3 см/1000 лет), так что можно различить климатические колебания с периодом значительно меньше 20 тыс. лет. В качестве индикаторов колебаний климата были выбраны относительное содержание тяжелого изотопа кислорода δО 18 в планктонных фораминиферах, видовой состав радиоляриевых сообществ, а также относительное содержание (в процентах) одного из видов радиолярий Цикладофора давизиана. Первый индикатор отражает изменения в изотопном составе океанской воды, связанные с возникновением и таянием ледниковых щитов Северного полушария. Второй индикатор показывает колебания в прошлом температуры воды на поверхности (T s). Третий индикатор нечувствителен к температуре, но чувствителен к солености. Спектры колебаний каждого из трех индикаторов показывают наличие трех пиков (рис. 3.4). Наибольший по величине пик приходится примерно на период 100 тыс. лет, второй по величине - на 42 тыс. лет, третий - на 23 тыс. лет. Первый из этих периодов весьма близок к периоду изменения эксцентриситета орбиты, причем фазы изменений совпадают. Второй период колебаний климатических индикаторов совпадает с периодом изменений угла наклона земной оси. В этом случае сохраняется постоянное соотношение фаз. Наконец, третий период соответствует квазипериодическим изменениям прецессии.

Рис. 3.4. Спектры колебаний некоторых астрономических параметров:

1 - наклон оси, 2 - прецессия (а ); инсоляция на 55° ю. ш. зимой (б ) и на 60° с. ш. летом (в ), а также спектры изменений трех выбранных климатических индикаторов в последние 468 тыс. лет (Hays J.D., Imbrie J., Shackleton N.J., 1976)

Всеэто заставляет считать изменения параметров земной орбиты и наклона земной оси важными факторами изменения климата и свидетельствует о торжестве астрономической теории Миланковича. В конечном счете глобальные колебания климата в плейстоцене можно объяснить именно этими изменениями (Монин А.С., Шишков Ю.А., 1979).

Экология

На Земле проходит четыре времени года по мере того, как она совершает один оборот вокруг Солнца, все это происходит наряду с увеличением и с уменьшением продолжительности светового дня в течение шести месяцев, которые случаются между зимним и летним солнцестоянием.

Мы также живем в 24-часовом суточном цикле, за который Земля обращается вокруг своей оси, более того, существует 28-дневный цикл вращения Луны вокруг Земли. Эти циклы повторяются бесконечно. Тем не менее, многие тонкости скрыты внутри и вокруг этих циклов, о которых большинство людей не знают, не могут объяснить или просто не замечают.

10. Высшая точка

Факт: Солнце не обязательно достигает своей самой высокой точки в полдень.

В зависимости от времени года нахождение Солнца в высшей точке варьируется. Это происходит по двум причинам: орбита Земли представляет собой эллипс, а не круг, а Земля, в свою очередь, наклонена к Солнцу. Так как Земля почти всегда вращается с одинаковой скоростью, а ее орбита в определенные времена года быстрее других, то иногда наша планета либо обгоняет, либо отстает от своей круговой орбиты.

Изменения, связанные с наклоном Земли, лучше всего рассматривать, представляя точки, расположенные близко друг к другу на экваторе Земли. Если вы наклоните состоящий из точек круг на 23,44 градуса (текущее значение наклона Земли), то вы увидите, что все точки, кроме тех, которые расположены сейчас на экваторе и тропиках, изменят свою долготу. Существуют также изменения во времени нахождения Солнца в своей самой высокой точке, они связаны также с географической долготой, в которой находится наблюдатель, однако, данный фактор является постоянным для каждой долготы.

9. Направление восхода

Факт: Восход и закат не меняют своего направления сразу после солнцестояния.

Большинство людей полагают, что в северном полушарии самый ранний закат происходит в период декабрьского солнцестояния, а самый поздний закат происходит во время июньского солнцестояния. На самом деле это не так. Солнцестояние – это просто даты, которые говорят о продолжительности самого короткого и самого длинного светового дня. Однако, изменения во времени в период полдня тянет за собой изменения в периодах восхода и заката солнца.

Во время декабрьского солнцестояния полдень наступает с опозданием на 30 секунд ежедневно. Так как в продолжительности светового дня не происходит никаких изменений во время солнцестояния, как закат, так и рассвет ежедневно опаздывают на 30 секунд. Поскольку закат опаздывает в период зимнего солнцестояния, самый ранний закат уже успевает "случиться". При этом, в этот же день восход солнца тоже приходит с опозданием, самого позднего восхода приходиться ждать.

Бывает и так, что самый поздний закат происходит спустя короткое время после летнего солнцестояния, а самый ранний восход случается незадолго до летнего солнцестояния. Тем не менее, эта разница не столь значительна по сравнению с декабрьским солнцестоянием, потому что изменение времени полдня из-за эксцентриситета в этом солнцестоянии зависит от изменений полдня из-за наклона, но общая скорость изменений носит положительную динамику.

8. Эллиптическая орбита Земли

Большинство людей знают, что Земля вращается вокруг Солнца по эллипсу, а не по кругу, но значение эксцентриситета орбиты Земли равно примерно 1/60. Планета, которая вращается вокруг своего солнца, всегда имеет эксцентриситет между 0 и 1 (учитывая 0, но без учета 1). Эксцентриситет равный 0 говорит о том, что орбита представляет собой идеальный круг с солнцем в центре и с планетой, которая вращается с постоянной скоростью.

Тем не менее, существование такой орбиты крайне маловероятно, поскольку есть континуум возможных значений эксцентриситета, который по замкнутой орбите измеряется путем деления расстояния между солнцем и центром эллипса. Орбита становится длиннее и тоньше по мере того, как эксцентриситет приближается к 1. Планета всегда вращается быстрее по мере приближения к Солнцу, и замедляется по мере отдаления от него. Когда эксцентриситет больше или равен 1, то планета один раз обходит свое солнце и навсегда улетает в космос.

7. Колебания Земли

Земля периодически проходит через колебания. Это объясняется главным образом воздействием гравитационных сил, которые "растягивают" экваториальную выпуклость Земли. Солнце и Луна также оказывают давление на эту выпуклость, создавая тем самым колебания Земли. Тем не менее, для повседневных астрономических наблюдений эти эффекты пренебрежимо малы.

Наклон Земли и ее долгота обладают периодом 18,6 лет, это время, необходимое Луне, чтобы сделать круг, проходящий через узлы и создающий колебания сроком от двух недель до шести месяцев. Продолжительность зависит от земной орбиты вокруг Солнца и от лунной орбиты вокруг Земли.

6. Плоская Земля

Факт (своего рода): Земля действительно плоская.

Католики из эпохи Галилея были, возможно, лишь совсем немного правы, полагая, что Земля плоская. Так получилось, что Земля обладает почти шаровидной формой, но она слегка приплюснута у полюсов. Экваториальный радиус Земли составляет 6378,14 километра, при этом ее полярный радиус равен 6356,75 км. Следовательно, геологам пришлось придумывать различные версии широты.

Геоцентрическая широта измеряется по зрительной широте, то есть это угол по отношению экватора к центру Земли. Географическая широта – это широта с точки зрения наблюдателя, а именно это угол, состоящий из линии экватора и прямой линией, проходящей под ногами человека. Географическая широта является стандартом для построения карт и определения координат. Тем не менее, измерение угла между Землей и Солнцем (как далеко на север или на юг светит Солнце на Землю в зависимости от времени года) всегда происходит в геоцентрической системе.

5. Прецессия

Земная ось заостряется к вершине. Кроме того, эллипс, формирующий земную орбиту, вращается очень медленно, делая форму движения Земли вокруг Солнца очень похожей на ромашку.

В связи с обоими типами прецессии, астрономы выявили три типа лет: звездный год (365, 256 дней), который обладает одной орбитой относительно далеких звезд; аномалистический год (365,259 дней), который представляет собой период времени, в течение которого Земля передвигается от ближайшей точки (перигелии) к самой дальней точке от Солнца (афелии) и обратно; тропический год (365, 242 дня), продолжительностью от одного дня весеннего равноденствия до другого.

4. Циклы Миланковича

Астроном Милютин Миланкович обнаружил в начале 20 века, что наклон Земли, эксцентриситет и прецессии не являются постоянными величинами. За период около 41000 лет Земля совершает один цикл, во время которого она наклоняется от 24,2 – 24,5 градусов до 22,1 – 22,6 градусов и обратно. В настоящее время наклон оси Земли уменьшается, и мы находимся ровно на полпути к минимальному наклону в 22,6 градуса, который достигнется примерно через 12000 лет. Эксцентриситет Земли проходит по гораздо более беспорядочному циклу, продолжительностью 100000 лет, за этот период он колеблется в пределах 0,005 – 0,05.

Как уже говорилось, в настоящее время его показатель – 1/60 или 0,0166, но сейчас он идет на снижение. Минимального показателя он достигнет через 28000 лет. Он предположил, что эти циклы и вызывают ледниковый период. Когда величины наклона и эксцентриситета особенно высоки, а прецессии таковы, что Земля наклонена от Солнца, либо к Солнцу, то в итоге мы имеем слишком холодную зиму в западном полушарии, при этом, весной или летом тает слишком большое количество льда.

3. Замедление вращения

Из-за трения, вызванного приливами и бродячими частицами в пространстве, скорость вращения Земли постепенно замедляется. По оценкам, с каждым веком Земле требуется на пять сотых секунды дольше, чтобы повернуть один раз. В начале формирования Земли, день длился не более 14 часов вместо сегодняшних 24. Замедление вращения Земли и является причиной того, почему каждые несколько лет мы добавляем долю секунды к продолжительности суток.

Однако время, когда наша 24-часовая система перестанет быть актуальной настолько далеко, что практически никто не выдвигает предположений о том, что мы будем делать с появившимся лишним временем. Некоторые полагают, что мы могли бы к каждому дню добавить определенный период времени, что в конечном итоге сможет дать нам 25-часовой день, или же изменить продолжительность часа, разделив сутки на 24 равные части.

2. Луна отдаляется

Каждый год Луна отходит от своей земной орбиты на 4 сантиметра. Это связано с приливами, которые она "приносит" на Землю.

Гравитация Луны, воздействующая на Землю, искажает земную кору на несколько сантиметров. Так как Луна вращается намного быстрее, чем ее орбиты, выпуклости тянут Луну за собой и вытягивают ее из орбит.

1. Сезонность

Солнцестояние и равноденствие являются символами начала соответствующих сезонов, а не их серединой. Все потому, что Земле необходимо время для того, чтобы нагреться или охладиться. Таким образом, сезонность отличается соответствующей длиной дневного света. Этот эффект называется сезонной задержкой и варьируется в зависимости от географического положения наблюдателя. Чем дальше человек путешествует от полюсов, тем тенденция отставания меньше.

Во многих североамериканских городах отставание, как правило, около месяца, в результате чего самая холодная погода наступает 21 января, а самая теплая 21 июля. Тем не менее, люди, которые живут в таких широтах, получают удовольствие и в конце августа от теплых летних деньков, надевая легкую одежду и даже выходя на пляж. При этом эта же дата на "другой стороне" летнего солнцестояния, будет соответствовать примерно 10 апрелю. Многие люди останутся лишь в предвосхищении лета.