Орбитальное движение Земли

Во 2 веке выдающийся александрийский астроном, географ и оптик Клавдий Птолемей (90-160) в своём главном труде «Альмагест» высказал предположение о центральном положении Земли во Вселенной (геоцентрическая система мира). Последовавшее за Птолемеем время не было благоприятным для дальнейшего развития знаний о строении мира.

В 9-11вв. значительные исследования были выполнены арабскими учёными. Философ, астроном и геодезист Бируни (Абу Рейхан аль Бируни, 973-1048) из Туркестана первым на Среднем Востоке предположил, что Земля движется вокруг Солнца.

И только в начале 16 века Коперник доказал, что видимое суточное движение всех небесных светил объясняется вращением самой Земли вокруг своей оси, а кажущееся годовое движение Солнца и очень сложные орбиты планет – круговыми движениями последних и самой Земли вокруг неподвижного Солнца. Неизменная плоскость, в которой движется Земля вокруг Солнца, получила название эклиптики (от греческого – затмение).

Хотя основные положения Коперника, что сама Земля вращается вокруг оси и движется вокруг Солнца, были чисто умозрительными и не могли быть доказаны в то время никакими фактами, тем не менее и той простоты всего мировоззрения, которая следовала из них, уже было достаточно, чтобы убеждение в их истинности стало постепенно укрепляться.

Датский астроном Тихо Браге (1546-1601) на основании собственных наблюдений светил и звёзд отверг систему Коперника и предложил свою собственную, по которой все планеты также двигались вокруг Солнца, но оно вместе со всеми планетами движется вокруг неподвижной Земли. Продолжить обрабатывать свой богатейший наблюдательный материал он завещал молодому немецкому математику Кеплеру (1571-1630).

Приступая к своим исследованиям движения планет на основе наблюдений Тихо Браге, Кеплер допускал, что все они, в том числе и Земля, движутся относительно неподвижного Солнца по некоторым плоским замкнутым кривым.

В 1609г. Кеплер опубликовал свои первые два закона:

1. Орбита всякой планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2. Площадь эллиптического сектора, описываемого радиусом вектором планеты, возрастает пропорционально времени.

Проникнутый идеей полной гармонии в природе, он пытался подметить сходство средних расстояний разных планет от Солнца сначала с гармоничными отношениями основных музыкальных тонов, потом – с радиусами сфер, описанных около пяти правильных многоугольников, и в них вписанных. Но из всего этого ничего не выходило. Сравнивая же полуоси орбит планет с продолжительностью полных оборотов планет, Кеплер открыл третий закон движения планет, опубликованный в 1619г.:

3. Квадраты продолжительностей оборотов планет пропорциональны

кубам их средних расстояний от Солнца.

Все три закона Кеплера оказываются точными и для комет, принадлежащих к Солнечной системе и движущихся по очень растянутым эллиптическим орбитам.

Но наука не могла довольствоваться эмпирическими законами, открытыми Кеплером. Надо было объяснить эти законы, найти причину, почему планеты движутся именно так, а не

Рис.1.17. Движение Земли вокруг Солнца

иначе. И это сделал великий Ньютон, доказавший, что сила, обусловливающая движение

каждой планеты вокруг Солнца по законам Кеплера, прямо пропорциональна массам обоих этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Земля обращается вокруг Солнца (рис.1.17) по эллиптической орбите со средней скоростью 29,765км/с. Вместе с Солнцем Земля участвует в движении вокруг центра Галактики со средней скоростью 300 км/с, совершая

один оборот за 200-230 млн. лет. Этот период называется галактическим годом.

Орбитальная скорость Земли колеблется от 29,27км/с в афелии на расстоянии 152,1 млн. км от Солнца до 30,27км/с в перигелии на расстоянии 147,1 млн. км от Солнца. Период полного обращения Земли вокруг центрального светила (относительно звёзд) составляет 365 суток 6 часов 9 минут 10 секунд (365,25636 средних солнечных суток). Этот период называют звёздным или сидерическим годом. Период обращения, исчисляемый в солнечных сутках (365,2422 солнечных суток), называется тропическим годом. Тропический год содержит 366,2422 звёздных суток. Длина тропического года в 365, 2422 средних солнечных суток будет оставаться такой же примерно до 2700 года.

Звёздные сутки составляют 365,2422/366,2422=0,997270 средних солнечных суток. Эта величина – постоянное соотношение звёздного и солнечного времени. Если бы эклиптика совпадала с небесным экватором, то день и ночь всегда были бы равны по времени. Но так как Солнце только дважды в году пересекает небесный экватор, то только в эти двое суток день равен ночи. К тому же между этими двумя точками Солнце движется по эклиптике неравномерно. От точки весеннего равноденствия (21 марта) до точки осеннего равноденствия (23 сентября) Солнце проходит за 186 суток, а от точки осеннего равноденствия до точки весеннего равноденствия за 179 суток.

У египтян гражданский год содержал в себе ровно 365 дней и подразделялся на 12 месяцев по 30 дней. Остальные 5 дней просто прибавлялись в конце года. Следовательно, каждый год у них начинался на ¼ суток раньше предшествующего и мог снова совпадать с тропическим через 1460 лет.

Римляне подразделяли гражданский год на 12 месяцев: martius, aprilis, maius, junius, quintilis, sextilis, september, october, november,а december, januarius, februarius. Не зная истинной продолжительности тропического года, они начали очень часто и вполне произвольно изменять число дней в месяцах, чтобы согласовать свой год с солнечным. Это привело их счисление времени или календарь (от слова «календы», которыми назывались первые дни каждого месяца) к такому беспорядку, что Юлий Цезарь (100-44гг. до н.э.) решил произвести в ней коренную реформу.

Призванный с этой целью из Александрии астроном Созиген, взяв в основание летоисчисления продолжительность тропического года в 365,25 дней, установил считать в трёх следующих один за другим простых годах по 365 дней, а в четвёртом високосном (от слова «bissextus» - два раза шесть) – 366 дней. Это летоисчисление с теми же названиями месяцев, за исключением пятого и шестого, которые были переименованы в июль и август, и с тем же числом дней в них, какое есть в настоящее время, было принято в 325 году н.э. на Никейском вселенном соборе и христианской церковью.

Разница в 0,0078 суток между истинной продолжительностью тропического года (365,2422) и Юлианского гражданского (362,25) постепенно накапливалась и через 128 лет составляла целые сутки. Вследствие этого весеннее равноденствие, которое приходилось на 21 марта в эпоху Никейского собора, в 16 столетии стало приходиться на 10 дней раньше, т.е. на 11 марта.

Это оказалось неудобным для церковного летоисчисления. По правилам христианской церкви праздник Пасхи должен наступать в первое воскресенье после первого весеннего полнолуния, т.е. первого полнолуния после дня весеннего равноденствия. В 1582 году папа Григорий XIII (1502-1585) исправил это, а чтобы весеннее равноденствие и в будущем приходилось всегда около 21 марта, постановил считать те круглые в сотнях годы, которые не делятся без остатка на 400 (1700, 1800, 1900, 2100 и т.д.) – простыми, делящиеся на 400 (1600, 2000 и т.д.) – високосными.

Григорианское летоисчисление принято называть новым стилем. Средняя продолжительность Григорианского гражданского года равна 365,2425 средним солнечным суткам и отличается от продолжительности тропического года на малую величину. Это летоисчисление было принято как обязательное сначала католическими, а затем и всеми европейскими государствами, за исключением России, Греции, Сербии и Болгарии, жившими некоторое время по старому стилю, т.е. Юлианскому летоисчислению, которое успело отстать на 13 дней. В 1918г. Россия перешла на Григорианское летоисчисление и 1 февраля стали считать 14 февраля 1918г. Это различие в 13 суток будет сохраняться до 28 февраля 2100г. по новому стилю. После этой даты оно станет равным 14 суткам.

По своей точности Григорианский календарь отвечает самым строгим требованиям современности. Ошибка в одни сутки накапливается в нём примерно лишь за 3300 лет.

Заметим, что ещё с древних времён сохранился семидневный период или неделя, который исходит из обычая называть дни по именам Солнца, Луны, Марса, Меркурия, Юпитера, Венеры и Сатурна. Разные годы и месяцы начинаются с разных дней. Это объясняется тем, что простой год содержит 52 недели плюс 1 день, а високосный – 52 недели плюс 2 дня. Но так как целое число дней содержится в 4-х Юлианских годах, то только через 28 лет все числа месяцев повторятся в прежние дни недели. Этот 28-летний период называется циклом или кругом Солнца.

Исторические исследования календарей древних славян 2-4 веков н.э. подтверждают, что учёные Киевской Руси достаточно полно знали закономерности движения Солнца, Земли и Луны, точно определяли длину солнечного и лунного года, их взаимосвязь, знали древнейшую семидневную неделю и високосные годы.

Рис.1.18. Годичное движение Солнца по 12 созвездиям Зодиака

(движение Солнца показано стрелкой)

Орбита Земли близка к круговой. Её эксцентриситет е = 0,017. В перигелии Земля бывает 2-5 января, в афелии 1-5 июля. Действительное годовое обращение Земли вокруг Солнца относительно неподвижного небосвода приводит к тому, что наблюдатель на Земле видит Солнце на фоне разных созвездий. Пояс на небесной сфере, вдоль которого осуществляется видимое годовое движение Солнца, называется поясом Зодиака, а линия видимого годового пути Солнца называется эклиптикой. Эклиптика лежит в плоскости, проходящей через центр Земли. «Зодиак» по-гречески означает «звериный круг». В него входят 12 зодиакальных созвездий. В древние времена все зодиакальные созвездия имели названия животных: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей, Рыбы (рис.1.18).