§ 3.8. Прецессия и нутация земной оси

Если бы Земля имела форму шара, однородного или состоящего из сферических слоев равной плотности, и являлась бы абсолютно твердым телом, то согласно законам механики направление оси вращения Земли и период ее вращения оставались бы постоянными на протяжении любого промежутка времени.

Однако Земля не имеет точной сферической формы, а близка к сфероиду. Притяжение же сфероида каким-либо материальным телом L (рис. 3.4) складывается из притяжения F шара, выделенного внутри сфероида (эта сила приложена к центру сфероида), притяжения F₁ ближайшей к телу L половины экваториального выступа и притяжения F₂ другой, более далекой, половины экваториального выступа. Сила F₁ больше силы F₂ и поэтому притяжение тела L стремится повернуть ось вращения сфероида Р_NР_S так, чтобы плоскость экватора сфероида совпала с направлением TL (на рис. 3.4 против часовой стрелки). Из механики известно, что ось вращения P_NP_S в этом случае будет перемещаться в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат силы F₁ и F₂ .

Рис. 3.4. Притяжение сфероида внешним телом.

Рис. 3.5. Прецессионное движение земной оси.

 

На экваториальные выступы сфероидальной Земли действуют силы притяжения от Луны и от Солнца. В результате ось вращения Земли совершает очень сложное движение в пространстве.

Прежде всего, она медленно описывает вокруг оси эклиптики конус, оставаясь все время наклоненной к плоскости движения Земли под углом около 66° 34' (рис. 3.5). Это движение земной оси называется прецессионным, период его около 26 000 лет. Вследствие прецессии земной оси полюсы мира за тот же период описывают вокруг полюсов эклиптики малые круги радиусом около 23° 26'. Прецессия, вызываемая действием Солнца и Луны, называется лунно-солнечной прецессией.

Кроме того, ось вращения Земли совершает различные мелкие колебания около своего среднего положения, которые называются нутацией земной оси. Нутационные колебания возникают потому, что прецессионные силы Солнца и Луны (силы F₁ и F₂ ) непрерывно меняют свою величину и направление; они равны нулю, когда Солнце и Луна находятся в плоскости экватора Земли и достигают максимума при наибольшем удалении от него этих светил.

В результате прецессии и нутации земной оси полюсы мира в действительности описывают на небе сложные волнистые линии.

Притяжение планет слишком мало, чтобы вызвать изменения в положении оси вращения Земли, но оно действует на движение Земли вокруг Солнца, изменяя положение в пространстве плоскости земной орбиты, т.е. плоскости эклиптики. Эти изменения положения плоскости эклиптики называются планетной прецессией, которая смещает точку весеннего равноденствия к востоку на 0”, 114 в год.

Глава 4 физика планетной системы

§ 4.1. Две группы планет. Земля, ее внутреннее строение и строение атмосферы

По своим физическим характеристикам большие планеты объединяют в две группы:

1. планеты типа Земли (планеты земной группы), куда входят Меркурий, Венера, Земля и Марс;

2. планеты типа Юпитера (планеты-гиганты), куда входят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Приведем общие характеристики планет земной группы:

• сравнительно небольшие размеры и масса;

• большая средняя плотность;

• наличие твердой поверхности.

Наибольшей по размерам и массе среди планет этой группы является Земля.

Приведем общие характеристики планет-гигантов:

• значительные размеры и масса;

• малая средняя плотность;

• быстрое осевое вращение;

• отсутствие твердой поверхности;

• большое число спутников;

• наличие вокруг планет колец.

Среди планет-гигантов наибольшими размерами и массой обладает Юпитер. Примерно 98 % суммарной массы планет Солнечной системы приходится на долю планет-гигантов.

Рассмотрим более подробно Землю и ее строение.

Земля — третья по счету от Солнца планета. На рис. 4.1 показано, как при наблюдении из космоса выглядит наша планета.

Рис. 4.1. Земля.

Земля имеет близкую к сфероиду форму. Средний экваториальный радиус планеты составляет 6378 км, масса примерно равна кг, средняя плотность составляет 5,5 г/cм³, ускорение свободного падения на экваторе 9,8 м/c².

Рассматривая физическое строение Земли по вертикали, можно убедиться, что она представляет собой ряд концентрических сферических или почти сферических оболочек: самая внешняя оболочка— газовая атмосфера, затем идет жидкая оболочка — гидросфера, которая частично покрывает основную массу планеты — литосферу. Литосфера и атмосфера в свою очередь разделяются на ряд сферических слоев, не одинаковых по своим физическим свойствам.

По химическому составу и физическим характеристикам в литосфере выделяют три основные сферические оболочки: твердая кора, мантия и ядро. Толщина коры составляет под океанами 610 км, под материками она увеличивается до 3570 км. По химическому составу земная кора состоит преимущественно из оксидов кремния, алюминия, кальция, железа и магния. Кора отделяется от мантии отчетливой границей. Мантия, простирающаяся на глубину около 2920 км, состоит из вязкого расплавленного вещества. Именно здесь формируются очаги землетрясений и вулканизма. Под мантией располагается ядро — наиболее плотная часть планеты. Ядро подразделяется на внешнее ядро толщиной около 2200 км и внутреннее ядро радиусом около 1250 км. Ядро состоит в основном из железа с примесью сернистого железа. Вещество внешнего ядра обладает свойствами тягучей жидкости, а также электропроводностью. Внутреннее ядро твердое.

В атмосфере Земли выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу.

Тропосфера — непосредственно прилегающий к земной поверхности слой атмосферы. Простирается она до высоты в 12-18 км. В тропосфере температура быстро (в среднем 6 град/км) падает с высотой (до 55С). Причина этого состоит в том, что тропосфера нагревается инфракрасным излучением земной поверхности, которое очень сильно в ней поглощается из-за большого содержания водяного пара. Тропосфера содержит более 80 % массы всей атмосферы. Над тропосферой находится стратосфера (до высоты в 50-55 км), в которой температура мало меняется с высотой. На высоте 20-25 км начинается увеличение температуры. Причиной этого увеличения является экзотермическая (т.е. сопровождающаяся выделением тепла) фотохимическая реакция разложения озона

О3 + h  O2 + О.

(4.1)

В результате реакции (4.1) озон поглощает ультрафиолетовое излучение в области от 2000 до 3000 Å, и это излучение разогревает атмосферу. Температура растет и у верхней границы стратосферы достигает около 0С. Далее следует сравнительно теплая область атмосферы, называемая мезосферой (до высоты в 80-85 км). Озон, находящийся в мезосфере, служит своеобразным щитом, охраняющим нас от действия ультрафиолетового излучения Солнца. Без этого щита развитие жизни на суше в ее современных формах вряд ли было бы возможно. Над мезосферой расположен температурный минимум (80С). Выше простирается самый внешний слой атмосферы — термосфера, где температура вновь начинает расти. Рост температуры идет непрерывно до высоты около 400 км, где она достигает днем в эпоху максимума солнечной активности более 1500 °С. В эпоху минимума солнечной активности эта предельная температура может быть меньше 700 °С. Вещество термосферы представляет собой слабоионизированную плазму, образующуюся под действием жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Поэтому термосферу называют также ионосферой. Термосфера простирается вплоть до высоты в 1800 км.

Земная атмосфера состоит по объему более чем на 78% из азота, почти на 21% из кислорода и из ничтожного количества остальных газов (аргона, углекислого газа, неона, гелия, водорода, метана и др.).

Земля обладает значительным магнитным полем, которое возникает благодаря гидродинамическим движениям в жидком металлическом ядре.