✓ осевое вращение большинства планет происходит в том же направлении – против часовой стрелки, исключение составляют Венера и Уран, которые вращаются по часовой стрелке;
✓ орбиты большинства планет близки по форме к окружности, эксцентриситет (отношение расстояния между центром и фокусом эллипса к длине большой полуоси) их мал, поэтому планеты не подходят близко друг к другу, их гравитационное воздействие мало, что объясняется законами планетарных движений Кеплера;
✓ орбиты всех планет находятся примерно в одной плоскости эклиптики, причем каждая следующая планета примерно в два раза дальше от Солнца, чем предыдущая; эта закономерность описывается правилом, которое было установлено И.Д. Тициусом в 1766 г. и получило известность благодаря работам И.Э. Боде в 1772 г.
Правило Тициуса – Боде (известно также как закон Боде) представляет собой формулу, приблизительно описывающую расстояния между планетами Солнечной системы и Солнцем (средние радиусы орбит). Правило формулируется следующим образом: к каждому элементу последовательности Di = 0,3,6,12…. прибавляется 4, затем результат делится на 10. Полученное число считается радиусом в астрономических единицах. То есть
Последовательность Di – геометрическая прогрессия, кроме первого числа. То есть D_1 =0; Di = 3 · 2і, i ≥ 0.
Эту же формулу можно записать по-другому:
R_1 = 0,4, Ri = 0,4+ 0,3 · 2і.
Результаты вычислений приведены в табл. 1. Из таблицы видно, что правилу соответствует и пояс астероидов, тогда как Нептун, наоборот, выпадает из этой закономерности, причем его место странным образом занимает Плутон, который, по решению 26-й Ассамблеи Международного астрономического союза, планетой вообще не является.
Таблица 1
Расстояния между планетами Солнечной системы и Солнцем (средние радиусы орбит)
Планеты условно делятся на две большие группы: планеты земной группы и планеты-гиганты. К первой группе относятся Меркурий, Венера, Земля, Марс. Вторую группу образуют Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Плутон по размерам и свойствам ближе к ледяным спутникам планет-гигантов.
Планеты земной группы отличает близкое расположение к Солнцу, небольшие размеры (радиус Меркурия равен 2440 км, Венеры – 6052, Земли – 6371, Марса – 3390 км), высокая плотность вещества (Меркурий – 5,42 г/см
3
3
Планеты-гиганты расположены на большом расстоянии от Солнца, отличаются большими размерами (радиус Юпитера составляет 69 911 км, Сатурна – 58 232, Урана – 25 362, Нептуна – 24 624 км), но более низкой в сравнении с планетами земной группы плотностью (Юпитер – 1,3 г/см
3
3
В Солнечной системе 99,9 % массы заключено в Солнце, поэтому основная сила, управляющая движением тел в Солнечной системе, – это притяжение Солнца. Так как планеты движутся вокруг Солнца в одной плоскости практически по круговым орбитам, их взаимное притяжение невелико, но и оно вызывает отклонения в движении планет. Вероятно, большее взаимодействие планет происходит тогда, когда они подходят близко друг к другу. Известно явление, называемое «парадом планет», когда на одной линии выстраивается большинство планет. В 2002 г. на одну линию «встали» пять планет – Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн. В 2011 г. Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Уран расположились в созвездии Рыб (наблюдение за данным явлением было возможным перед восходом Солнца, главным образом в южном полушарии).
Астероиды (от греч. asteroeideis – звездоподобные) – малые тела Солнечной системы. Они образуют тонкое кольцо между орбитами Марса и Юпитера (предположительно образовались после разрушения планеты Фаэтон или за счет сгустков первичного газопылевого облака). В среднем они расположены на расстоянии 2,2–3,6 а.е. от Солнца. Первый астероид назван Церера (1801 г.), к 1880 г. было известно уже около 200 астероидов, сейчас орбиты вычислены для более 40 000 астероидов. Самый большой астероид Церера имеет диаметр 1000 км, диаметр Паллады – 608 км, Весты – 540, Гигии – 450 км. Практически все астероиды имеют неправильную форму, только самые крупные приближаются к шару.
Кометы (от греч. kometes – хвостатые) – небольшие несветящиеся тела Солнечной системы, которые становятся видимыми только при подходе к Солнцу. Движутся по сильно вытянутым эллипсам. Число комет измеряется миллионами. С приближением к Солнцу у них резко обособляется «голова» и «хвост». Головная часть состоит изо льда и частиц пыли. В разреженной газопылевой среде хвоста обнаружены ионы натрия и углерода. Одна из самых известных комет – комета Галлея – каждые 76 лет появляется в зоне видимости Земли.
Метеоры – мельчайшие твердые тела массой несколько граммов, вторгшиеся в атмосферу планеты. Мелкие частицы вещества, двигаясь со скоростью 11–12 км/с, из-за трения в атмосфере разогреваются до 1000 °C, что вызывает их свечение на протяжении нескольких секунд. Они сгорают в атмосфере, не долетая до поверхности. Метеоры делятся на единичные и метеорные потоки. Наиболее известны метеорные потоки Персеиды (падают в августе), Дракониды (октябрь), Леониды (ноябрь). Если Земля пересекает орбиту метеорного потока, частицы «налетают на планету», начинается «звездный дождь». Упавшие на поверхность планеты небесные тела называются метеоритами. Наибольший метеорный кратер на Земле имеет диаметр 1265 м и расположен в Аризоне около каньона Диабло. Наиболее распространенными элементами метеоритов являются кислород, железо, кремний, магний, никель и др.
Солнечно-земные связи – ответные реакции ГО на изменения солнечной активности. К солнечно-земным связям необходимо отнести:
✓ динамический фактор, т. е. совокупность явлений, обусловленных движением Земли вокруг Солнца по орбите и вековыми изменениями параметров движения (прежде всего положения земной оси в пространстве);
✓ энергетический фактор, связанный с поступлением солнечной радиации; на уровне земной поверхности изменчивость энергетического фактора определяется известными обстоятельствами – суточным ритмом, сменой времени года и состоянием атмосферы и земной поверхности;
✓ вещественный поток α- и β-частиц, т. е. протонов и электронов «солнечного ветра», который участвует в материальном балансе верхней части атмосферы (экзосферы и ионосферы).
В настоящее время солнечную активность связывают с регулярным образованием в атмосфере Солнца пятен, факелов, вспышек, протуберанцев. В середине XIX в. швейцарский астроном Р. Вольф вычислил количественный показатель солнечной активности, известный во всем мире как число Вольфа. Уровень солнечной активности изменяется с периодичностью около 11 лет. Главным аспектом влияния Солнца на Землю, энергетической базой солнечно-земных связей является поток солнечной радиации, энергия электромагнитного и корпускулярного излучения. На пути к поверхности Земли солнечное излучение преодолевает несколько преград: межпланетную среду, нейтральную атмосферу, ионосферу и геомагнитное поле. Одновременно с 11-летним циклом протекает вековой, точнее 80—90-летний, цикл солнечной активности. Несогласованно накладываясь друг на друга, они вносят заметные изменения в процессы, совершающиеся в ГО. В частности, установлена корреляция между 11-летним циклом солнечной активности и землетрясениями, колебаниями уровня озер, рек, грунтовых вод, частотой полярных сияний, интенсивностью грозовой деятельности, температурой воздуха, атмосферным давлением, урожайностью сельхозкультур, повторяемостью эпидемических заболеваний, смертностью населения и др. Велико воздействие солнечной активности на общую циркуляцию воздушных масс в тропосфере. Установлено, что интенсивность ее изменяется в максимумы 11-летних циклов, а вместе с ней изменяется и тип атмосферной циркуляции.
2.2. Планетарные факторы
Форма Земли. Земля – третья от Солнца планета Солнечной системы и самая крупная планета земной группы. Вместе с Луной Земля образует систему – двойную планету.
Фигура Земли – понятие модельное, некоторая идеализация, с помощью которой стремятся описать форму планеты. В зависимости от цели описания пользуются различными моделями формы планеты – различными фигурами. Расположим известные модели в ряд от общих к более детализированным, считая их последовательными приближениями к истинной форме Земли (рис. 2).
Рис. 2. Представления о форме поверхности Земли (по Г.Н. Каттерфельду): 1 — сфера; 2 — эллипсоид вращения; 3 — геоид (кардиоид)
1. Первое приближение – сфера. Это наиболее общая модель формы нашей планеты. Сфера не имеет выраженной единственной оси симметрии, все ее оси равноправны, их бесчисленное множество, как и экваторов. Однако Земля, как уже отмечалось, имеет одну ось вращения и экваториальную плоскость – плоскость симметрии (а также плоскости симметрии меридианов). Это несоответствие сферической модели Земли ее реальной форме ощутимо проявляется при изучении горизонтальной структуры ГО, характеризующейся выраженной поясностью и известной симметрией относительно экватора (с элементами диссимметрии).
2. Второе приближение – эллипсоид вращения. Тип симметрии эллипсоида вращения отвечает указанным выше особенностям формы Земли (выраженная ось, экваториальная плоскость симметрии, меридиональные плоскости). Эта модель используется в высшей геодезии для расчета координат, построения картографических сеток и других вычислений.
3. Третье приближение – трехосный кардиоидальный эллипсоид вращения. В этой модели северный полярный радиус больше южного на 30-100 м.
4. Четвертое приближение – геоид. Понятие ввел в 1873 г. немецкий физик И.Б. Листинг. Геоид – уровенная поверхность, совпадающая со средним уровнем Мирового океана (МО) и являющаяся геометрическим местом точек пространства, имеющих одинаковый потенциал тяжести. Теоретически поверхность геоида в каждой точке перпендикулярна направлению силы тяжести (т. е. линии отвеса) и отождествляется со средним положением спокойной водной поверхности в океанах и открытых морях, мысленно продолженной также и под материками. Поверхность геоида всюду выпуклая (что отвечает выпуклости океанической поверхности).
Несмотря на всю сложность своей поверхности, геоид мало отличается от сфероида. Отклонения, за отдельными исключениями, составляют не более ±100 м, т. е. поверхность геоида редко выступает над поверхностью сфероида более чем на 100 м и редко погружается под поверхность сфероида более чем на такую же величину. Средняя же величина отступления геоида от наиболее удачно подобранного земного эллипсоида не превышает ±50 м.
Элементы земного эллипсоида, рассчитанные Ж.-Б.-Ж. Деламбром (1800), Ф.-В. Бесселем (1841), Д. Хейфордом (1909) и другими учеными, неодинаковы, так как вычислены по геодезическим измерениям разных по протяженности дуг меридианов и параллелей. Земной эллипсоид, принятый для обработки геодезических измерений и установления единой государственной системы координат, называется референц-эллипсоидом.
На территории СССР пользовались эллипсоидом Бесселя до 1946 г. Однако этот эллипсоид был рассчитан в основном по данным Западной Европы. На Дальнем Востоке его поверхность сильно уклонялась от поверхности Земли.
Более точные результаты размеров земного эллипсоида получены в 1940 г Ф.Н. Красовским и А.А. Изотовым по результатам астрономо-геодезических работ, выполненных на территории СССР, Западной Европы и США. Размеры земного эллипсоида, получившего название «референц-эллипсоид Красовского», были приняты для геодезических и картографических работ на всей территории СССР.
Отклонения поверхности референц-эллипсоида Красовского от поверхности геоида не превышают 150 м.
В настоящее время основные геометрические параметры общеземного эллипсоида определяются более точными методами с использованием искусственных спутников Земли. Для сравнения в табл. 2 приведены размеры земного эллипсоида, определенные Бесселем, Красовским и в глобальной геоцентрической системе координат WGS – 84 (World Geodetic System, 1984).
Таблица 2
Размеры земного эллипсоида
При картографических работах (составление карт мелких масштабов) Землю достаточно принимать за шар, объем которого равен объему земного сфероида. Исходя из размеров эллипсоида Красовского R = 6 371 110 м.
Значение астрономического положения Земли для природы ее поверхности:
1. Благодаря тому что в центре Солнечной системы находится одинарная звезда Солнце, орбитальное и осевое движение Земли, как и других планет, равномерно, и поэтому все природные процессы на Земле ритмичны, их колебания не выходят за критические для жизни пределы.
2. Так как Земля образована в ближайшей к Солнцу части прото-планетного облака, она состоит из тяжелых элементов, обеспечивших ее высокую плотность.
3. По этой же причине масса Земли достаточно велика (5,98 · 10
24
4. Земля находится на таком расстоянии от Солнца, при котором приливное трение невелико и планета быстро вращается вокруг оси.
5. Вместе с тем удаление Земли от Солнца благоприятно для температурного режима атмосферы.
Значение шарообразной формы Земли для природы ее поверхности:
1. Солнечные лучи на шаровую поверхность Земли падают на различных широтах под разными углами; интенсивность нагревания земной поверхности уменьшается от экватора к полюсам, что проявляется в распределении тепла, а следовательно, и разнообразии климатов.
2. В сочетании с вращением Земли в поле солнечной радиации шарообразность обусловливает зональность природы.
3. Влияние сферической формы проявляется в циркуляции воздуха, океанических течениях, приливно-отливных движениях воды и других географических явлениях.
4. Шарообразная форма планеты обусловливает разделение ее на освещенную и не освещенную Солнцем части (день и ночь), а следовательно, влияет на тепловой режим Земли.
Земля совершает множество движений одновременно. В географии принято учитывать и анализировать три из них: орбитальное движение, осевое (суточное) вращение и движение системы «Земля – Луна».
Орбитальное движение Земли. Вокруг Солнца Земля вращается по эллиптической орбите (длина 934 млн км) со скоростью 29,765 км/с. Солнце расположено в одном из фокусов этой орбиты. Средний радиус орбиты 149,6 млн км. В афелии (самой удаленной от светила точке) расстояние до Солнца составляет 152 · 10
6
6
Географические следствия орбитального движения Земли:
1. Земная ось наклонена по отношению к плоскости орбиты и образует с нею угол, равный 66°33′. В процессе движения ось перемещается поступательно, поэтому на орбите возникают 4 характерные точки (рис. 3):
✓ 21 марта и 23 сентября – дни равноденствий: наклон земной оси оказывается нейтральным по отношению к Солнцу, а обращенные к нему участки планеты равномерно освещены от полюса до полюса; на всех широтах в эти сроки продолжительность дня и ночи равна 12 ч;
✓ 22 июня и 22 декабря – дни летнего и зимнего солнцестояний: плоскость экватора наклонена по отношению к солнечному лучу под углом 23°27: Солнце в этот момент находится в зените над одним из тропиков.
2. С наклоном земной оси к плоскости орбиты связано наличие таких характерных параллелей, как тропики и полярные круги. Полярный круг – параллель, широта которой равна углу наклона земной оси к плоскости орбиты (66°33′). Тропик – параллель, широта которой дополняет угол наклона земной оси до прямого (23°27′). Полярные круги являются границами распространения полярного дня и полярной ночи. Тропики являются границами зенитального положения Солнца в полдень. На тропиках Солнце бывает в зените один раз, в пространстве между ними – два раза в году.