О суточном вращении неба. Вращение звездного неба Чем объясняется вращение звездного неба

Страница 2 из 5

2.1.2. Небесная сфера. Особые точки небесной сферы.

Люди в древности считали, что все звезды располагаются на небесной сфере, которая как единое целое вращается вокруг Земли. Уже более 2.000 лет тому назад астрономы стали применять способы, которые позволяли указать расположение любого светила на небесной сфере по отношению к другим космическим объектам или наземным ориентирам. Представлением о небесной сфере удобно пользоваться и теперь, хотя мы знаем, что этой сферы реально не существует.

Небесная сфера - воображаемая шаровая поверхность произвольного радиуса, в центре которой находится глаз наблюдателя, и на которую мы проецируем положение небесных светил.

Понятием небесной сферы пользуются для угловых измерений на небе, для удобства рассуждений о простейших видимых небесных явлениях, для различных расчетов, например вычисления времени восхода и захода светил.

Построим небесную сферу и проведем из ее центра луч по направлению к звезде А (рис.1.1).

Там, где этот луч пересечет поверхность сферы, поместим точку А 1 изображающую эту звезду. Звезда В будет изображаться точкой В 1 . Повторив подобную операцию для всех наблюдаемых звезд, мы получим на поверхности сферы изображение звездного неба – звездный глобус. Ясно, что если наблюдатель находится в центре этой воображаемой сферы, то для него направление на сами звезды и на их изображения на сфере будут совпадать.

• Что является центром небесной сферы? (Глаз наблюдателя)
• Каков радиус небесной сферы? (Произвольный)
• Чем отличаются небесные сферы двух соседей по парте? (Положением центра).

Для решения многих практических задач расстояния до небесных тел не играют роли, важно лишь их видимое расположение на небе. Угловые измерения не зависят от радиуса сферы. Поэтому, хотя в природе небесной сферы и не существует, но астрономы для изучения видимого расположение светил и явлений, которые можно наблюдать на небе в течении суток или многих месяцев, применяют понятие Небесная сфера. На такую сферу и проецируются звезды, Солнце, Луна, планеты и т.д, отвлекаясь от действительных расстояний до светил и рассматривая лишь угловые расстояние между ними. Расстояния между звездами на небесной сфере можно выражать только в угловой мере. Эти угловые расстояния измеряются величиной центрального угла между лучами, направленными на одну и другую звезду, или соответствующими им дугами на поверхности сферы.

Для приближенной оценки угловых расстояний на небе полезно запомнить такие данные: угловое расстояние между двумя крайними звездами ковша Большой Медведицы (α и β) составляет около 5° (рис. 1.2), а от α Большой Медведицы до α Малой Медведицы (Полярной звезды) – в 5 раз больше – примерно 25°.

Простейшие глазомерные оценки угловых расстояний можно провести также с помощью пальцев вытянутой руки.

Только два светила – Солнце и Луну – мы видим как диски. Угловые диаметры этих дисков почти одинаковы – около 30" или 0,5°. Угловые размеры планет и звезд значительно меньше, поэтому мы их видим просто как светящиеся точки. Для невооруженного глаза объект не выглядит точкой в том случае, если его угловые размеры превышают 2–3". Это означает, в частности, что наш глаз различает каждую по отдельности светящуюся точку (звезду) в том случае, если угловое расстояние между ними больше этой величины. Иначе говоря, мы видим объект не точечным лишь в том случае, если расстояние до него превышает его размеры не более чем в 1700 раз.

Отвесная линия Z, Z’ , проходящая через глаз наблюдателя (точка С), находящегося в центре небесной сферы, пересекает небесную сферу в точках Z - зенит, Z’ - надир .

Зенит - эта наивысшая точка над головой наблюдателя.

Надир - противоположная зениту точка небесной сферы .

Плоскость, перпендикулярная отвесной линии, называется горизонтальной плоскостью (или плоскостью горизонта) .

Математическим горизонтом называется линия пересечения небесной сферы с горизонтальной плоскостью, проходящей через центр небесной сферы.

Невооруженным глазом на всем небе можно видеть примерно 6000 звезд, но мы видим лишь половину из них, потому что другую половину звездного неба закрывает от нас Земля. Движутся ли звезды по небосводу? Оказывается, движутся все и притом одновременно. В этом легко убедиться, наблюдая звездное небо (ориентируясь по определенным предметам).

Вследствие ее вращения вид звездного неба меняется. Одни звезды только еще появляются из-за горизонта (восходят) в восточной его части, другие в это время находятся высоко над головой, а третьи уже скрываются за горизонтом в западной стороне (заходят). При этом нам кажется, что звездное небо вращается как единое целое. Теперь каждому хорошо известно, что вращение небосвода - явление кажущееся, вызванное вращением Земли.

Картину того, что в результате суточного вращения Земли происходит со звездным небом, позволяет запечатлеть фотоаппарат.

На полученном снимке каждая звезда оставила свой след в виде дуги окружности (рис. 2.3). Но есть и такая звезда, передвижение которой в течение всей ночи почти незаметно. Эту звезду назвали Полярной. Она в течение суток описывает окружность малого радиуса и всегда видна почти на одной и той же высоте над горизонтом в северной стороне неба. Общий центр всех концентрических следов звезд находится на небе неподалеку от Полярной звезды. Эта точка, в которую направлена ось вращения Земли, получила название северный полюс мира. Дуга, которую описала Полярная звезда, имеет наименьший радиус. Но и эта дуга, и все остальные - независимо от их радиуса и кривизны - составляют одну и ту же часть окружности. Если бы удалось сфотографировать пути звезд на небе за целые сутки, то на фотографии получились бы полные окружности - 360°. Ведь сутки - это период полного оборота Земли вокруг своей оси. За час Земля повернется на 1/24 часть окружности, т. е. на 15°. Следовательно, длина дуги, которую звезда опишет за это время, составит 15°, а за полчаса - 7,5°.

Звезды в течение суток описывают тем большие окружности, чем дальше от Полярной звезды они находятся.

Ось суточного вращения небесной сферы называют осью мира (РР" ).

Точки пересечения небесной сферы с осью мира называют полюсами мира (точка Р - северный полюс мира, точка Р" - южный полюс мира).

Полярная звезда расположена вблизи северного полюса мира. Когда мы смотрим на Полярную звезду, точнее, на неподвижную точку рядом с ней - северный полюс мира, направление нашего взгляда совпадает с осью мира. Южный полюс мира находится в южном полушарии небесной сферы.

Плоскость ЕА WQ , перпендикулярная оси мира РР" и проходящая через центр небесной сферы, называется плоскостью небесного экватора , а линия пересечения ее с небесной сферой - небесным экватором .

Небесный экватор – линия окружности, полученная от пересечения небесной сферы с плоскостью проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно к оси мира.

Небесный экватор делит небесную сферу на два полушария: северное и южное.

Ось мира, полюса мира и небесный экватор аналогичны оси, полюсам и экватору Земли, так как перечисленные названия связаны с видимым вращением небесной сферы, а оно является следствием действительного вращения земного шара.

Плоскость, проходящая через точку зенита Z , центр С небесной сферы и полюс Р мира, называют плоскостью небесного меридиана , а линия пересечения ее с небесной сферой образует линию небесного меридиана .

Небесный меридиан – большой круг небесной сферы, проходящий через зенит Z, полюс мира Р, южный полюс мира Р", надир Z"

В любом месте Земли плоскость небесного меридиана совпадает с плоскостью географического меридиана этого места.

Полуденная линия NS - это линия пересечения плоскостей меридиана и горизонта. N – точка севера, S – точка юга

Она названа так потому, что в полдень тени от вертикальных предметов падают по этому направлению.

• Каков период вращения небесной сферы? (Равен периоду вращения Земли – 1 сутки).
• В каком направлении происходит видимое (кажущееся) вращение небесной сферы? (Противоположно направлению вращения Земли).
• Что можно сказать о взаимном расположении оси вращения небесной сферы и земной оси? (Ось небесной сферы и земная ось будут совпадать).
• Все ли точки небесной сферы участвуют в видимом вращении небесной сферы? (Точки, лежащие на оси, покоятся).

Земля движется по орбите вокруг Солнца. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты на угол 66,5°. Вследствие действия сил тяготения со стороны Луны и Солнца ось вращения Земли смещается, в то время как наклон оси к плоскости земной орбиты остается постоянным. Ось Земли как бы скользит по поверхности конуса. (то же происходит с осью у обыкновенного волчка в конце вращения).

Это явление было открыто еще в 125 г. до н. э. греческим астрономом Гиппархом и названо прецессией .

Один оборот земная ось совершает за 25 776 лет – этот период называется платоническим годом. Сейчас вблизи Р – северного полюса мира находится Полярная звезда – α Малой Медведицы. Полярной называется та звезда, которая на сегодняшний день находится вблизи Северного полюса мира. В наше время, примерно с 1100 года, такой звездой является альфа Малой Медведицы – Киносура. Раньше титул Полярной поочередно присваивался π, η и τ Геркулеса, звездам Тубан и Кохаб. Римляне вовсе не имели Полярной звезды, а Кохаб и Киносуру (α Малой Медведицы) называли Стражами.

На начало нашего летоисчисление – полюс мира был вблизи α Дракона – 2000 лет назад. В 2100 г полюс мира будет всего в 28" от Полярной звезды – сейчас в 44". В 3200г полярным станет созвездие Цефей. В 14000 г – полярной будет Вега (α Лиры).

Как найти в небе Полярную звезду?

Чтобы найти Полярную звезду, нужно через звезды Большой Медведицы (первые 2 звезды "ковша") мысленно провести прямую линию и отсчитать по ней 5 расстояний между этими звездами. В этом месте рядом с прямой мы увидим звезду, почти одинаковую по яркости со звездами "ковша" – это и есть Полярная звезда.

В созвездии, которое нередко называют Малый Ковш, Полярная звезда является самой яркой. Но так же, как и большинство звезд ковша Большой Медведицы, Полярная - звезда второй величины.

Летний (летне-осенний) треугольник = звезда Вега (α Лиры, 25,3 св. лет), звезда Денеб (α Лебедя, 3230 св. лет), звезда Альтаир (α Орла, 16,8 св. лет)

Относительно небесной сферы (Земли).

Все экспериментальные доказательства вращения Земли вокруг оси сводятся к доказательству того, что система отсчета, связанная с Землей, является неинерциальной системой отсчета специального вида - системой отсчета, совершающей вращательное движение относительно инерциальных систем отсчёта .

В отличие от инерциального движения (то есть равномерного прямолинейного движения относительно инерциальных систем отсчета), для обнаружения неинерциального движения замкнутой лаборатории не обязательно производить наблюдения над внешними телами, - такое движение обнаруживается с помощью локальных экспериментов (то есть экспериментов, произведенных внутри этой лаборатории). В этом (именно в этом!) смысле слова неинерциальное движение, включая вращение Земли вокруг оси, может быть названо абсолютным.

Силы инерции

Центробежная сила на вращающейся Земле.

Эффекты центробежной силы

Зависимость ускорения свободного падения от географической широты. Эксперименты показывают, что ускорение свободного падения зависит от географической широты : чем ближе к полюсу, тем оно больше. Это объясняется действием центробежной силы. Во-первых, точки земной поверхности, расположенные на более высоких широтах, ближе к оси вращения и, следовательно, при приближении к полюсу расстояние от оси вращения уменьшается, доходя до нуля на полюсе. Во-вторых, с увеличением широты угол между вектором центробежной силы и плоскостью горизонта уменьшается, что приводит к уменьшению вертикальной компоненты центробежной силы.

Это явление было открыто в 1672 году, когда французский астроном Жан Рише, находясь в экспедиции в Африке , обнаружил, что у экватора маятниковые часы идут медленнее, чем в Париже . Ньютон вскоре объяснил это тем, что период колебаний маятника обратно пропорционален квадратному корню из ускорения свободного падения, которое уменьшается на экваторе из-за действия центробежной силы.

Сплюснутость Земли. Влияние центробежной силы приводит к сплюснутости Земли у полюсов. Это явление, предсказанное Гюйгенсом и Ньютоном в конце XVII века, было впервые обнаружено в конце 1730-х годов в результате обработки данных двух французских экспедиций, специально снаряженных для решения этой проблемы в Перу и Лапландию .

Эффекты силы Кориолиса: лабораторные эксперименты

Маятник Фуко на северном полюсе. Ось вращения Земли лежит в плоскости колебаний маятника.

Наиболее отчетливо этот эффект должен быть выражен на полюсах, где период полного поворота плоскости маятника равен периоду вращения Земли вокруг оси (звёздным суткам). В общем случае, период обратно пропорционален синусу географической широты , на экваторе плоскость колебаний маятника неизменна.

Гироскоп - вращающееся тело со значительным моментом инерции сохраняет момент импульса, если нет сильных возмущений. Фуко, которому надоело объяснять, что происходит с маятником Фуко не на полюсе, разработал другую демонстрацию: подвешенный гироскоп сохранял ориентацию, а значит медленно поворачивался относительно наблюдателя.

Отклонение снарядов при орудийной стрельбе. Другим наблюдаемым проявлением силы Кориолиса является отклонение траекторий снарядов (в северном полушарии вправо, в южном - влево), выстреливаемых в горизонтальном направлении. С точки зрения инерциальной системы отсчета, для снарядов, выстреливаемых вдоль меридиана , это связано с зависимостью линейной скорости вращения Земли от географической широты: при движении от экватора к полюсу снаряд сохраняет горизонтальную компоненту скорости неизменной, в то время как линейная скорость вращения точек земной поверхности уменьшается, что приводит к смещению снаряда от меридиана в сторону вращения Земли. Если выстрел был произведен параллельно экватору, то смещение снаряда от параллели связано с тем, что траектория снаряда лежит в одной плоскости с центром Земли, в то время как точки земной поверхности движутся в плоскости, перпендикулярной оси вращения Земли . Этот эффект (для случая стрельбы вдоль меридиана) был предсказан Гримальди в 40-х годах XVII в. и впервые опубликован Риччоли в 1651 г.

Отклонение свободно падающих тел от вертикали. ( ) Если скорость движения тела имеет большую вертикальную составляющую, сила Кориолиса направлена к востоку, что приводит к соответствующему отклонению траектории тела, свободно падающего (без начальной скорости) с высокой башни . При рассмотрении в инерциальной системе отсчета эффект объясняется тем, что вершина башни относительно центра Земли движется быстрее, чем основание , благодаря чему траектория тела оказывается узкой параболой и тело слегка опережает основание башни .

Эффект Этвёша. На низких широтах сила Кориолиса при движении по земной поверхности направлена в вертикальном направлении и её действие приводит к увеличению или уменьшению ускорения свободного падения, в зависимости от того, движется ли тело на запад или восток. Этот эффект назван эффектом Этвёша в честь венгерского физика Лоранда Этвёша , экспериментально обнаружившего его в начале XX века.

Опыты, использующие закон сохранения момента импульса. Некоторые эксперименты основаны на законе сохранения момента импульса : в инерциальной системе отсчёта величина момента импульса (равная произведению момента инерции на угловую скорость вращения) под действием внутренних сил не меняется. Если в некоторый начальный момент времени установка неподвижна относительно Земли, то скорость её вращения относительно инерциальной системы отсчета равна угловой скорости вращения Земли. Если изменить момент инерции системы, то должна измениться угловая скорость её вращения, то есть начнётся вращение относительно Земли. В неинерциальной системе отсчёта, связанной с Землёй, вращение возникает в результате действия силы Кориолиса. Эта идея была предложена французским учёным Луи Пуансо в 1851 г.

Первый такой эксперимент был поставлен Хагеном в 1910 г.: два груза на гладкой перекладине были установлены неподвижно относительно поверхности Земли. Затем расстояние между грузами было уменьшено. В результате установка пришла во вращение . Ещё более наглядный опыт поставил немецкий учёный Ханс Букка (Hans Bucka) в 1949 г. Стержень длиной примерно 1,5 метра был установлен перпендикулярно прямоугольной рамке. Первоначально стержень был горизонтален, установка была неподвижной относительно Земли. Затем стержень был приведен в вертикальное положение, что привело к изменения момента инерции установке примерно в раз и её быстрому вращению с угловой скоростью, в раз превышающей скорость вращения Земли .

Воронка в ванне.

Поскольку сила Кориолиса очень слаба, она оказывает пренебрежимо малое влияние на направление закручивания воды при сливе в раковине или ванне, поэтому в общем случае направление вращения в воронке не связано с вращением Земли. Однако в тщательно контролируемых экспериментах можно отделить действие силы Кориолиса от других факторов: в северном полушарии воронка будет закручена против часовой стрелки, в южном - наоборот .

Эффекты силы Кориолиса: явления в окружающей природе

Закон Бэра. Как впервые отметил петербургский академик Карл Бэр в 1857 году, реки размывают в северном полушарии правый берег (в южном полушарии - левый), который вследствие этого оказывается более крутым (закон Бэра). Объяснение эффекта аналогично объяснению отклонения снарядов при стрельбе в горизонтальном направлении: под действием силы Кориолиса вода сильнее ударяется в правый берег, что приводит к его размытию, и, наоборот, отступает от левого берега .

Циклон над юго-восточным побережьем Исландии (вид из космоса).

Ветры: пассаты, циклоны, антициклоны. С наличием силы Кориолиса, направленной в северном полушарии вправо и в южном влево, связаны также атмосферные явления: пассаты, циклоны и антициклоны. Явление пассатов вызывается неодинаковостью нагрева нижних слоёв земной атмосферы в приэкваториальной полосе и в средних широтах, приводящему к течению воздуха вдоль меридиана на юг или север в северном и южном полушариях, соответственно. Действие силы Кориолиса приводит к отклонению потоков воздуха: в северном полушарии - в сторону северо-востока (северо-восточный пассат), в южном полушарии - на юго-восток (юго-восточный пассат).

Оптические эксперименты

В основе ряда опытов, демонстрирующих вращение Земли, используется эффект Саньяка : если кольцевой интерферометр совершает вращательное движение, то вследствие релятивистских эффектов во встречных лучах появляется разность фаз

где - площадь проекции кольца на экваториальную плоскость (плоскость, перпендикулярную оси вращения), - скорость света , - угловая скорость вращения. Для демонстрации вращения Земли этот эффект был использован американским физиком Майкельсоном в серии экспериментов, поставленных в 1923-1925 гг. В современных экспериментах, использующих эффект Саньяка, вращение Земли необходимо учитывать для калибровки кольцевых интерферометров.

Существует ряд других экспериментальных демонстраций суточного вращения Земли .

Неравномерность вращения

Прецессия и нутация

Однако о Гикете и Экфанте практически ничего неизвестно, и даже само их существование иногда подвергается сомнению . Согласно мнению большинства ученых, Земля в системе мира Филолая совершала не вращательное, а поступательное движение вокруг Центрального огня. В других своих произведениях Платон следует традиционному мнению о неподвижности Земли. Однако до нас дошли многочисленные свидетельства, что идею вращения Земли отстаивал философ Гераклид Понтийский (IV век до н. э.) . Вероятно, с гипотезой о вращении Земли вокруг оси связано ещё одно предположение Гераклида: каждая звезда представляет собой мир, включающий землю, воздух, эфир, причем всё это располагается в бесконечном пространстве. Действительно, если суточное вращение неба является отражением вращения Земли, то исчезает предпосылка считать звезды находящимися на одной сфере.

Примерно столетие спустя предположение о вращении Земли стало составной частью первой , предложенной великим астрономом Аристархом Самосским (III век до н. э.) . Аристарха поддержал вавилонянин Селевк (II век до н. э.) , также, как и Гераклид Понтийский , считавший Вселенную бесконечной. О том, что идея суточного вращения Земли имела своих сторонников ещё в I веке н. э., свидетельствуют некоторые высказывания философов Сенеки , Деркиллида, астронома Клавдия Птолемея . Подавляющее большинство астрономов и философов, однако, не сомневалось в неподвижности Земли.

Аргументы против идеи движения Земли имеются в произведениях Аристотеля и Птолемея . Так, в своем трактате О Небе Аристотель обосновает неподвижность Земли тем, что на вращающейся Земле брошенные вертикально вверх тела не могли бы упасть в ту точку, из которой началось их движение: поверхность Земли сдвигалась бы под брошенным телом . Другой довод в пользу неподвижности Земли, приводимый Аристотелем, основан на его физической теории: Земля является тяжелым телом, а для тяжелых тел свойственно движение к центру мира, а не вращение вокруг него.

Из сочинения Птолемея следует, что сторонники гипотезы вращения Земли на эти доводы отвечали, что и воздух и все земные предметы совершают движение вместе с Землей. По всей видимости, роль воздуха в этом рассуждении принципиально важна, поскольку подразумевается, что именно его движение вместе с Землей скрывает вращение нашей планеты. Птолемей на это возражает, что

находящиеся в воздухе тела всегда будут казаться отстающими… А если бы тела вращались вместе с воздухом как одно целое, то никакое из них не казалось бы опережающим другое или отстающим от него, но оставалось бы на месте, в полете и бросании оно не совершало бы отклонений или движений в другое место вроде тех, которые мы воочию видим совершающимися, и у них вообще не происходило бы замедления или ускорения, оттого что Земля не является неподвижной .

Средние века

Индия

Первым из средневековых авторов, высказавший предположение о вращении Земли вокруг оси, был великий индийский астроном и математик Ариабхата (кон. V - нач. VI вв.). Он формулирует её в нескольких местах своего трактата Ариабхатия , например:

Точно также, как человек на движущемся вперед корабле видит закрепленные объекты движущимися назад, так и наблюдатель… видит неподвижные звезды движущимися по прямой линии на запад .

Неизвестно, принадлежит ли эта идея самому Ариабхате или он её заимствовал у древнегреческих астрономов .

Ариабхату поддержал только один астроном, Пртхудака (IX век) . Большинство индийских ученых отстаивало неподвижность Земли. Так, астроном Варахамихира (VI в.) утверждал, что на вращающейся Земле летящие в воздухе птицы не могли бы вернуться к своим гнездам, а камни и деревья слетали бы с поверхности Земли. Выдающийся астроном Брахмагупта (VI в.) повторил также старый аргумент, что тело, упавшее с высокой горы, но смогло бы опуститься к её основанию. При этом он, однако, отверг один из доводов Варахамихиры : по его мнению, даже если бы Земля вращалась, предметы не могли бы оторваться от неё вследствие своей тяжести.

Исламский Восток

Возможность вращения Земли рассматривали многие ученые мусульманского Востока. Так, известный геометр ас-Сиджизи изобрел астролябию , принцип действия которой основан на этом предположении . Некоторые исламские ученые (имена которых до нас не дошли) даже нашли правильный способ опровержения основного довода против вращения Земли: вертикальности траекторий падающих тел. По существу, при этом был высказан принцип суперпозиции движений, согласно которому любое перемещение можно разложить на два или несколько составляющих: по отношению к поверхности вращающейся Земли падающее тело двигается по отвесной линии, но точка, являющаяся проекцией этой линии на поверхность Земли, переносится бы её вращением. Об этом свидетельствует знаменитый ученый-энциклопедист ал-Бируни , который сам, однако, склонялся к неподвижности Земли. По его мнению, если на падающее тело будет действовать какая-то дополнительная сила, то результат её действия на вращающейся Земле приведет к некоторым эффектам, которые на самом деле не наблюдаются .

Среди ученых XIII-XVI веков, связанных с Марагинской и Самаркандской обсерваториями, развернулась дискуссия о возможности эмпирического обоснования неподвижности Земли. Так, известный астроном Кутб ад-Дин аш-Ширази (XIII-XIV вв.) полагал, что неподвижность Земли может быть удостоверена экспериментом. С другой стороны, основатель Марагинской обсерватории Насир ад-Дин ат-Туси полагал, что если бы Земля вращалась, то это вращение разделял бы слой воздуха, прилегающий к её поверхности, и все движения вблизи поверхности Земли происходили бы точно также, как если бы Земля была неподвижной. Он это обосновывал с помощью наблюдений комет: согласно Аристотелю , кометы являются метеорологическим явлением в верхних слоях атмосферы; тем не менее, астрономические наблюдения показывают, что кометы принимают участие в суточном вращении небесной сферы. Следовательно, верхние слои воздуха увлекаются вращением небосвода, поэтому и нижние слои также могут увлекаться вращением Земли. Таким образом, эксперимент не может дать ответ на вопрос о том, вращается ли Земля. Однако он оставался сторонником неподвижности Земли, поскольку это соответствовало философии Аристотеля.

Большинство исламских ученых более позднего времени (ал-Урди , ал-Казвини , ан-Найсабури , ал-Джурджани , ал-Бирджанди и другие) были согласны с ат-Туси , что все физические явления на вращающейся и неподвижной Землей проистекали бы одинаково. Однако роль воздуха при этом уже не считалась принципиальной: не только воздух, но и все предметы переносятся вращающейся Землей. Следовательно, для обоснования неподвижности Земли необходимо привлекать учение Аристотеля .

Особую позицию в этих спорах занял третий директор Самаркандской обсерватории Ала ад-Дин Али ал-Кушчи (XV в.), отвергавший философию Аристотеля и считавший вращение Земли физически возможным . В XVII веке к аналогичному выводу пришел иранский теолог и ученый-энциклопедист Баха ад-Дин ал-Амили . По его мнению, астрономы и философы не представили достаточных доказательств, опровергающих вращение Земли .

Латинский Запад

Подробое обсуждение возможности движения Земли широко содержится в сочинениях парижских схоластов Жана Буридана , Альберта Саксонского , и Николая Орема (вторая половина XIV в.). Важнейшим аргументом в пользу вращения Земли, а не неба, приведенным в их работах, является малость Земли по сравнению со Вселенной, что делает приписывание суточного вращение небосвода Вселенной в высшей степени противоестественным.

Однако все эти ученые в конечном итоге отвергли вращение Земли, хотя и на разных основаниях. Так, Альберт Саксонский полагал, что эта гипотеза не способна объяснить наблюдаемые астрономические явления. С этим справедливо не согласились Буридан и Орем , по мнению которых небесные явления должны происходить одинаково независимо от того, что совершает вращение, Земля или Космос. Буридан смог найти только один существенный довод против вращения Земли: стрелы, пускаемые вертикально вверх, падают вниз по отвесной линии, хотя при вращении Земли они, по его мнению, должны были бы отставать от движения Земли и падать к западу от точки выстрела.

Николай Орем.

Но даже и этот довод был отвергнут Оремом . Если Земля вращается, то стрела летит вертикально вверх и одновременно с этим движется на восток, будучи захваченная воздухом, вращающимся вместе с Землей. Таким образом, стрела должна упасть на то же место, откуда она была выпущена. Хотя здесь снова упоминается об увлекающей роли воздуха, в действительности он не играет особой роли. Об этом говорит следующая аналогия:

Подобным образом, если бы воздух был закрыт в движущемся судне, то человеку, окруженному этим воздухом, показалось бы, что воздух не движется… Если бы человек находился в корабле, движущемся с большой скоростью на восток, не зная об этом движении, и если бы он вытянул руку по прямой линии вдоль мачты корабля, ему бы показалось, что его рука совершает прямолинейное движение; точно так же, согласно этой теории, нам представляется, что такая же вещь происходит со стрелой, когда мы пускаем её вертикально вверх или вертикально вниз. Внутри корабля, движущегося с большой скоростью на восток, могут иметь место все виды движения: продольное, поперечное, вниз, вверх, во всех направлениях - и они кажутся точно такими же, как тогда, когда корабль пребывает неподвижным.

Я заключаю, следовательно, что с помощью какого бы то ни было опыта невозможно продемонстрировать, что небеса имеют суточное движение и что Земля его не имеет.

Тем не менее, окончательный вердикт Орема о возможности вращения Земли был отрицательным. Основанием для такого вывода был текст Библии :

Однако до сих пор все поддерживают и я верю, что они [Небеса], а не Земля движется, ибо «Бог сотворил круг Земли, который не поколеблется», несмотря на все противоположные аргументы.

О возможности суточного вращения Земли упоминали и средневековые европейские ученые и философы более позднего времени, однако никаких новых аргументов, не содержавшихся у Буридана и Орема , добавлено не было.

Таким образом, практически никто из средневековых ученых так и не принял гипотезу о вращении Земли. Однако в ходе её обсуждения учеными Востока и Запада было высказано множество глубоких мыслей, которые потом будут повторены учеными Нового времени.

Эпоха Возрождения и Новое время

Николай Коперник.

В первой половине XVI века увидели свет несколько сочинений, утверждавших, что причиной суточного вращения небосвода является вращение Земли вокруг оси. Одним из них был трактат итальянца Челио Кальканьини «О том, что небо неподвижно, а Земля вращается, или о вечном движении Земли» (написан около 1525 г., издан в 1544 г.). Он не произвел большого впечатления на современников, поскольку к тому времени уже был опубликован фундаментальный труд польского астронома Николая Коперника «О вращениях небесных сфер» (1543 г.), где гипотеза суточного вращения Земли у него стала частью гелиоцентрической системы мира , как у Аристарха Самосского . Свои мысли Коперник ранее изложил в небольшом рукописном сочинении Малый Комментарий (не ранее 1515 г.). Два года ранее основного труда Коперника вышло сочинение немецкого астронома Георга Иоахима Ретика Первое повествование (1541 г.), где популярно изложена теория Коперника.

В XVI веке Коперника полностью поддержали астрономы Томас Диггес, Ретик , Кристоф Ротман, Михаэль Мёстлин, физики Джамбатиста Бенедетти, Симон Стевин , философ Джордано Бруно , богослов Диего де Цунига . Некоторые учёные принимали вращение Земли вокруг оси, отвергая её поступательное движение. Такова была позиция немецкого астронома Николаса Реймерса, известного также как Урсус, а также итальянских философов Андреа Чезальпино и Франческо Патрици. Не совсем ясна точка зрения выдающегося физика Вильяма Гильберта , который поддержал осевое вращение Земли, но не высказывался по поводу её поступательного движения. В начале XVII века гелиоцентрическая система мира (включая вращение Земли вокруг оси) получила внушительную поддержку со стороны Галилео Галилея и Иоганна Кеплера . Наиболее влиятельными противниками идеи движения Земли в XVI - начале XVII века были астрономы Тихо Браге и Христофор Клавиус .

Гипотеза о вращении Земли и становление классической механики

По существу, в XVI-XVII вв. единственным аргументом в пользу осевого вращения Земли было то, что в этом случае отпадает надобность в приписывании звездной сфере огромных скоростей вращения, ведь ещё в античности уже было надежно установлено, что размер Вселенной значительно превышает размер Земли (этот аргумент содержался ещё у Буридана и Орема).

Против этой гипотезы высказывались соображения, основанные на динамических преставлениях того времени. Прежде всего, это вертикальность траекторий падающих тел . Появились и другие доводы, например, равная дальность стрельбы в восточном и западном направлениях. Отвечая на вопрос о ненаблюдаемости эффектов суточного вращения в земных экспериментах, Коперник писал:

Вращается не только Земля с соединенной с ней водной стихией, но также и немалая часть воздуха и все, что каким-либо образом сродно с Землёй, или уже ближайший к Земле воздух пропитанный земной и водной материей, следует тем же самым законам природы, что и Земля, или имеет приобретенное движение, которое сообщается ему прилегающей Землей в постоянном вращении и без всякого сопротивления

Таким образом, главную роль в ненаблюдаемости вращения Земли играет увлечение воздуха её вращением. Такого же мнения придерживались и большинство коперниканцев в XVI веке.

Галилео Галилей.

Сторонниками бесконечности Вселенной в XVI веке были также Томас Диггес, Джордано Бруно , Франческо Патрици - все они поддерживали гипотезу о вращении Земли вокруг оси (а первые двое - также вокруг Солнца). Кристоф Ротман и Галилео Галилей полагали звезды расположенными на разных расстояниях от Земли, хотя явно не высказывались по поводу бесконечности Вселенной. С другой стороны, Иоганн Кеплер отрицал бесконечность Вселенной, хотя и был сторонником вращения Земли.

Религиозный контекст споров о вращении Земли

Ряд возражений против вращения Земли был связан с её противоречиями тексту Священного Писания. Эти возражения были двух видов. Во-первых, некоторые места в Библии приводились в подтверждение того, что суточное движение совершает именно Солнце, например:

Восходит солнце и заходит солнце, и спешит к месту своему, где оно восходит .

В данном случае под удар попадало осевое вращение Земли, поскольку движение Солнца с востока на запад является частью суточного вращения небосвода. Часто в этой связи цитировался отрывок из книги Иисуса Навина :

Иисус воззвал к Господу в тот день, в который предал Господь Аморрея в руки Израилю, когда побил их в Гаваоне, и они побиты были пред лицем сынов Израилевых, и сказал пред Израильтянами: стой, солнце, над Гаваоном, и луна, над долиною Авалонскою !

Поскольку команда остановиться была дана Солнцу, а не Земле, отсюда делался вывод, что суточное движение совершает именно Солнце. Другие отрывки приводились в поддержку неподвижности Земли, например:

Ты поставил землю на твердых основах: не поколеблется она во веки и веки .

Эти отрывки считались противоречащими как мнению о вращении Земли вокруг оси, так и обращению вокруг Солнца.

Сторонники вращения Земли (в частности, Джордано Бруно , Иоганн Кеплер и особенно Галилео Галилей ) проводили защиту по нескольким направлениям. Во-первых, они указывали, что Библия написана языком, понятным простым людям, и если бы её авторы давали четкие с научной точки зрения формулировки, она не смогла бы выполнять свою основную, религиозную миссию . Так, Бруно писал:

Во многих случаях глупо и нецелесообразно приводить много рассуждений скорее в соответствии с истиной, чем соответственно данному случаю и удобству. Например, если бы вместо слов: «Солнце рождается и поднимается, переваливает через полдень и склоняется к Аквилону» - мудрец сказал: «Земля идет по кругу к востоку и, покидая солнце, которое закатывается, склоняется к двум тропикам, от Рака к Югу, от Козерога к Аквилону», - то слушатели стали бы раздумывать: «Как? Он говорит, что Земля движется? Что это за новости?» В конце концов они его сочли бы за глупца, и он действительно был бы глупцом .

Такого рода ответы давались в основном на возражения, касавшиеся суточного движения Солнца. Во-вторых, отмечалось, что некоторые отрывки Библии должны быть трактованы аллегорически (см. статью Библейский аллегоризм). Так, Галилей отмечал, что если Св. Писание целиком понимать буквально, то окажется, что у Бога есть руки, он подвержен эмоциям типа гнева и т. п. В целом, главной мыслью защитников учения о движении Земли было то, что наука и религия имеют разные цели: наука рассматривает явления материального мира, руководствуясь доводами разума, целью религии является моральное усовершенствование человека, его спасение. Галилей в этой связи цитировал кардинала Баронио , что Библия учит тому, как взойти на небеса, а не тому, как устроены небеса.

Эти доводы были сочтены католической церковью неубедительными, и в 1616 г. учение о вращении Земли было запрещено, а в 1631 г. Галилей был осужден судом инквизиции за его защиту. Однако за пределами Италии этот запрет не оказал существенного влияния на развитие науки и способствовал главным образом падению авторитета самой католической церкви.

Необходимо добавить, что религиозные доводы против движения Земли приводили не только церковные деятели, но и ученые (например, Тихо Браге ). С другой стороны, католический монах Паоло Фоскарини написал небольшое сочинение «Письмо о воззрениях пифагорейцев и Коперника на подвижность Земли и неподвижность Солнца и о новой пифагорейской системе мироздания» (1615 г.), где высказывал соображения, близкие к галилеевским, а испанский богослов Диего де Цунига даже использовал теорию Коперника для толкования некоторых мест Священного Писания (хотя впоследствии он изменил свое мнение). Таким образом, конфликт между богословием и учением о движении Земли был не столько конфликтом между наукой и религией как таковыми, сколько конфликтом между старыми (к началу XVII века уже устаревшими) и новыми методологическими принципами, полагаемыми в основу науки.

Значение гипотезы о вращении Земли для развития науки

Осмысление научных проблем, поднимаемых теорией вращающейся Земли, способствовало открытию законов классической механики и созданию новой космологии, в основе которой лежит представление о безграничности Вселенной. Обсуждавшиеся в ходе этого процесса противоречия между этой теорией и буквалистским прочтением Библии способствовали размежеванию естествознания и религии.

Примечания

1. Пуанкаре, О науке , с. 362-364.
2. Впервые этот эффект наблюдал Винченцо Вивиани (ученик Галилея) ещё в 1661 г. (Граммель 1923, Hagen 1930, Guthrie 1951).
3. Теория маятника Фуко подробно изложена в Общем курсе физики Сивухина (Т. 1, § 68).
4. При советской власти маятник Фуко длиной 98 м демонстрировался в Исаакиевском соборе (Ленинград).
5. Граммель 1923.
6. Kuhn 1957.
7. Подробнее см. Михайлов 1984, с. 26.
8. Graney 2011.
9. Расчет эффекта см. в Общем курсе физики Сивухина (Т. 1, § 67).
10. Угловая скорость основания и вершины одна и та же, но линейная скорость равна произведению угловой скорости на радиус вращения.
11. Несколько иное, но эквивалентное объяснение основано на II законе Кеплера . Секториальная скорость движущегося в поле тяготения тела, пропорциональная произведению радиуса-вектора тела на квадрат угловой скорости, является постоянной величиной. Рассмотрим простейший случай, когда башня расположена на земной экваторе. Когда тело находится на вершине, его радиус-вектор максимален (радиус Земли плюс высота башни) и угловая скорость равна угловой скорости вращения Земли. При падении тела его радиус-вектор уменьшается, что сопровождается увеличением угловой скорости тела. Таким образом, средняя угловая скорость тела оказывается чуть больше угловой скорости вращения Земли.
12. Koyre 1955, Burstyn 1965.
13. Armitage 1947, Михайлов и Филонович 1990.
14. Граммель 1923, с. 362.
15. Граммель 1923, с. 354-356
16. Schiller, Motion Mountain , pp. 123, 374. См. также de:Erdrotation .
17. Сурдин 2003.
18. Подробное объяснение см. в книге Асламазова и Варламова (1988).
19. Г. Б. Малыкин, «Эффект Саньяка. Корректные и некорректные объяснения», Успехи физических наук, том 170, № 12, 2000.
20. Граммель 1923, Rigge 1913, Compton 1915, Guthrie 1951, Schiller, Motion Mountain .
21. Прецессия - статья из (3-е издание)
22. Астронет > Сферическая астрономия
23. Нутация (физич.) - статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
24. Веселовский, 1961; Житомирский, 2001.
25. «Земле же, кормилице нашей, он [Демиург] определил вращаться вокруг оси, проходящей через Вселенную» .
26. Иногда их считают персонажами диалогов Гераклида Понтийского .
27. Эти свидетельства собраны в статье Van der Waerden, 1978 .
28. Свидетельства о суточном вращении Земли у Аристарха: Плутарх , О лике, видимом на диске Луны (отрывок 6) ; Секст Эмпирик , Против ученых ; Plutarch, Platonic questions (question VIII) .
29. Об этом свидетельствует Плутарх .
30. Heath 1913, pp. 304, 308; Птолемей, Альмагест , кн. 1, гл.7 .
31. Аристотель , О Небе , кн. II.14.
32. Птолемей, Альмагест , кн. 1, гл.7.
33. Там же.
34. Chatterjee 1974, p. 51.
35. Согласно мнениям некоторых историков, теория Ариабхаты является переработанной гелиоцентрической теорией греческих астрономов (Van der Waerden, 1987).
36. Chatterjee 1974, p. 54.
37. Розенфельд и др. 1973, с. 94, 152-155.
38. Бируни, Канон Мас’уда , кн.1, гл.1
39. Ragep, 2001. См. также Джалалов, 1958.
40. The Biographical Encyclopedia of Astronomers, p. 42.
41. Jean Buridan on the diurnal rotation of Earth ; см. также Ланской 1999.
42. Лупандин, Лекция 11.
43. Nicole Oresme on the Book of the Heavens and the world of Aristotle ; см. также Dugas 1955 (p. 62-66), Grant 1974, Ланской 1999 и Лупандин, Лекция 12.
44. Лупандин, Лекция 12.
45. Grant 1974, p. 506.
46. Ланской 1999, с. 97. Следует отметить, однако, что не все религиозные доводы против вращения Земли Орем считал убедительными (Dugas 1955, p. 64)).
47. В конце жизни Цунига, однако, отверг суточное вращение Земли как «абсурдное предположение». См. Westman 1986, p. 108.
48. Истории этого аргумента и разнообразных попыток его преодоления посвящены многие статьи (Михайлов и Филонович 1990, Koyre 1943, Armitage 1947, Koyre 1955, Ariotti 1972, Massa 1973, Grant 1984).
49. Коперник, О вращениях небесных сфер , русский перевод 1964 г., с. 28.
50. Михайлов и Филонович 1990, Ariotti 1972.
51. Галилей Г. Избранные труды в двух томах. - Т. 1. - С. 333.
52. В древности сторонниками бесконечности Вселенной были Гераклид Понтийский и Селевк , предполагавшие вращение Земли.
53. Имеется в виду суточное вращение небесной сферы.
54. Койре, 2001, с. 46-48.
55. Экклезиаст 1:5.
56. Библия, Книга Иисуса Навина , глава 10.
57. Псалом 103:5.
58. Rosen 1975.
59. Этому посвящены его письма к его ученику, священнику Бенедетто Кастелли и Великой герцогине Кристине Лотарингской. Обширные выдержки из них приведены в работе Фантоли 1999.
60. Об этом говорил ещё Орем в XIV веке.
61. Дж. Бруно, Пир на пепле , диалог IV.
62. Howell 1998.

Литература

• Л. Г. Асламазов, А. А. Варламов, «Удивительная физика», М.: Наука, 1988. DJVU
• В. А. Бронштэн, Трудная задача, Квант, 1989. № 8. С. 17.
• A. В. Бялко, «Наша планета - Земля», М.: Наука, 1983. DJVU
• И. Н. Веселовский, «Аристарх Самосский - Коперник античного мира», Историко-астрономические исследования, Вып. VII, с.17-70, 1961. Online
• Р. Граммель, «Механические доказательства движения Земли», УФН, том III, вып. 4, 1923. PDF
• Г. А. Гурев, «Учение Коперника и религия», М.: Изд-во АН СССР, 1961.
• Г. Д. Джалалов, «Некоторые замечательные высказывания астрономов Самаркандской обсерватории», Историко-астрономические исследования, вып. IV, 1958, с. 381-386.
• А. И. Еремеева, «Астрономическая картина мира и её творцы», М.: Наука, 1984.
• С. В. Житомирский, «Античная астрономия и орфизм», М.: Янус-К, 2001.
• И. А. Климишин, «Элементарная астрономия», М.: Наука, 1991.
• А. Койре, «От замкнутого мира к бесконечной Вселенной», М.: Логос, 2001.
• Г. Ю. Ланской, «Жан Буридан и Николай Орем о суточном вращении Земли», Исследования по истории физики и механики 1995-1997, с. 87-98, М.: Наука, 1999.
• А. А. Михайлов, «Земля и её вращение», М.: Наука, 1984. DJVU
• Г. К. Михайлов, С. Р. Филонович, «К истории задачи о движении свободно брошенных тел на вращающейся Земле», Исследования по истории физики и механики 1990, с. 93-121, М.: Наука, 1990. Online
• Е. Мищенко, Ещё раз о трудной задаче, Квант. 1990. № 11. С. 32.
• А. Паннекук, «История астрономии», М.: Наука, 1966. Online
• А. Пуанкаре, «О науке», М.: Наука, 1990. DJVU
• Б. Е. Райков, «Очерки по истории гелиоцентрического мировоззрения в России», М.-Л.: АН СССР, 1937.
• И. Д. Рожанский, «История естествознания в эпоху эллинизма и Римской империи», М.: Наука, 1988.
• Д. В. Сивухин, «Общий курс физики. Т. 1. Механика», М.: Наука, 1989.
• О. Струве, Б. Линдс, Г. Пилланс, «Элементарная астрономия», М.: Наука, 1964.
• В. Г. Сурдин, «Ванна и закон Бэра», Квант, No 3, с. 12-14, 2003.

Анонс: Что является самым основным, самым ранним факторомв исторической иерархии развития и прогресса, без которого не могла бы появиться сама жизнь на Земле? Скажу сразу - этим фактором является суточное вращение Земли вокруг своей оси! Без суточного вращения на Земле никогда не могла бы появиться жизнь! Но причина возникновения суточного вращения Земли вокруг своей оси пока не раскрыта и что раскрутило и продолжает вращать нашу планету, божественная воля или материальная причина, ученые до сих пор не знают.

Нераскрытых загадок и тайн мироздания много, и чем больше мы познаем окружающий мир, тем больше появляется новых идей, загадок и вопросов. Но эти новые загадки в иерархии развития являются более поздними, т.е. производными от более важных первичных форм и законов. И некоторые важные первичные загадки даже сегодня еще не разгаданы. Например, что является самым основным, ключевым фактором в исторической иерархии развития и прогресса, без которого не могла бы появиться сама жизнь на Земле?

Скажу сразу - одним из самых важных и величайших факторов является фактор суточного вращения Земли. Да, да! Если бы не было суточного вращения Земли, то на Земле никогда не могла бы возникнуть жизнь! И загадка механизма возникновения этого вращения до сих пор не разгадана. Давайте осознаем некоторые факты: мощность солнечного излучения при подходе к Земле огромна ~ 1.5 квт.ч/м2 и без вращения вокруг своей оси одна сторона Земли раскалялась бы от излучения Солнца, а на другой её стороне царил бы космический холод! Жара Сахары и холод Антарктиды были бы в разы сильнее! И именно суточное вращение Земли позволило сделать более равномерными тепловые условия в течении миллионов лет во всех районах Земли и это явилось одним из важнейших условий для возникновения жизни. Т.е. суточное вращение Земли явилось ключевым, главным условием в возникновении жизни на Земле.

Но как возникло это суточное вращение? Что раскрутило нашу планету? На сегодня не существует научных объяснений этой загадке! Само суточное вращение Земли было научно доказано по исторически меркам совсем недавно, в период с XIV -го по XVI -ый века нашей эры, вместе с созданием гелиоцентрической системы мира и открытием вращения Земли вокруг Солнца. До этого тысячи лет господствовало представление о Земле, как неподвижном центре всего мира. Осмысление вопросов, поднимаемых теорией вращающейся Земли, способствовало открытию законов классической механики.

Эксперимент, наглядно демонстрирующий вращение Земли, поставил в 1851 году французский физик Леон Фуко. Его смысл очень прост и понятен. Плоскость колебаний маятника неизменна относительно неподвижных звезд. А в системе отсчета, связанной с Землей, плоскость колебаний маятника поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения Земли, что наглядно видно по делениям на круге, размещенном под маятником. Наиболее отчетливо этот эффект выражен на полюсах, где период полного поворота плоскости маятника равен периоду вращения Земли вокруг своей оси, а на экваторе плоскость колебаний маятника неизменна. В настоящее время маятник Фуко с успехом демонстрируется в ряде научных музеев и планетариев, в частности, в планетарии Санкт-Петербурга, планетарии Волгограда.

В последние годы появилась одна гипотеза возникновения суточного вращения Земли от действия глобальных земных ветров и океанских течений, но она не выдерживает никакой критики. Ведь вода и атмосфера на Земле появились много позже возникновения суточного вращения Земли. Кроме того, учеными доказано, что океанские течения появились именно благодаря суточному вращению Земли, а не наоборот. Воздействие Луны также не могло привести к появлению суточного вращения Земли. Кроме того Луна имеет своё собственное вращение. Вращаются вокруг своей оси и другие планеты солнечной системы, а также само Солнце. Что вызывает все эти вращения? Ответа пока нет. Но возможно механизм возникновения вращения у планет и у Солнца один и тот же, поскольку Солнце вращается вокруг центра галактики Млечный путь, как планеты вокруг Солнца.

Кстати, все небесные тела вращаются не по круговой, а по эллиптической Кеплеровской орбите, которая со временем также сдвигается в пространстве:

Также пока нет ответа и на вопрос о причине появления наклона оси вращения Земли относительно плоскости вращения Земли вокруг Солнца. Этот наклон равен 66˚33’22” и его наличие привело к появлению на Земле времен года, исключительно важных для земного климата.

Времена года, наряду с суточным вращением, т.е. быстрой сменой дня и ночи, еще более смягчили и облегчили условия для возникновения жизни и биосферы Земли, для появления многочисленных форм растений, животных, а также человека. Вкупе с временами года на Земле возникли 5 поясов освещенности (или радиации), ограниченные тропиками и полярными кругами, которые разделяются по продолжительности солнечного освещения и количеству получаемого тепла. Учеными также замечено, что ось вращения Земли периодически меняет свое направление. Это называется прецессией. Каждые 13 тыс лет ось вращения Земли "наклоняется" в противоположную сторону. Но ведь огромные небесные тела, вращающиеся в невесомости, представляют собой идеальные гироскопы, которые не могут менять своей ориентации в пространстве.

Лишь много позже возникновения суточного вращения на Земле появилась вода, кислородная атмосфера, а затем и различные формы жизни, животные, растения, человек.

Другой важнейший фактор для возникновения жизни на Земле – это магнитное поле Земли. Земная магнитосфера защищает все живое от солнечной радиации. Но этот фактор уже давно нашел свое научное объяснение. Поэтому я коснусь его очень кратко.

Солнце и каждая планета Солнечной системы обладает своим магнитным полем, которое создает вокруг каждого из этих небесных тел особую оболочку – магнитосферу. Полюса магнитного поля Земли располагаются практически на оси суточного вращения Земли с небольшим отклонением в 11.5 градусов от неё. Различают два вида магнитного поля Земли: постоянное (главное) и переменное. Природа и происхождение их различны, но между ними существует взаимосвязь. Формированию постоянного магнитного поля способствуют внутренние источники Земли – электрические токи, возникающие на поверхности уплотненного ядра Земли из-за различия температур в его частях, что предположительно связано с динамическими процессами в мантии и ядре Земли. Они создают устойчивое магнитное поле, простирающееся на 20-25 земных радиусов, которое подвержено лишь медленным, «вековым» колебаниям. Переменное поле создается при взаимодествиии с внешними источниками, находящимися за пределами планеты. Переменное магнитное поле примерно в 100 раз слабее постоянного и характеризуется регулярными вариациями, имеющими главным образом солнечную природу, и нерегулярными (типа магнитных бурь). У Земли средний диаметр магнитосферы свыше 90 тыс. км в перпендикуляре к солнечному лучу. Земля постоянно подвергается воздействию потоков заряженных частиц (корпускул) космического происхождения и излучения Солнца – солнечного ветра. Магнитосфера под ударами солнечного ветра сжата со стороны Солнца и сильно вытянута в противосолнечном направлении. Так образуется хвост магнитосферы, вытянутый на 900-1050 земных радиусов. Магнитосфера является главным препятствием для проникновения в географическую оболочку губительных для живого вещества заряженных солнечных частиц и таким образом изолирует живые организмы от проникающей радиации. Беспрепятственно вторгаться в атмосферу космические частицы могут лишь в районе магнитных полюсов. Одновременно магнитосфера пропускает к поверхности планеты электромагнитные волны – рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, радиоволны и лучистую энергию, которая служит основным источником тепла и энергетической базой происходящих в географической оболочке процессов.


В историческом разрезе наблюдаются географические смещения магнитного поля и даже смены полярности магнитного диполя. Полярность, когда северный конец магнитной стрелки направлен к северу, называют прямой (как сейчас), в противоположном случае говорят об обратной намагниченности земного диполя. Наблюдения за магнитным полем Земли ведут многие обсерватории мира.

Таким образом вращение планет вокруг своей оси является важнейшим и главнейшим условием возникновения жизни на планетах. Выяснение причины собственного вращения планет, позволит понять, может ли быть во Вселенной много таких планет как Земля, на которых со временем также появится жизнь, или же Земля является уникальным явлением во Вселенной. Наличие суточного вращения у других планет Солнечной системы намекает на то, что причиной появления такого вращения у планет является не случайность, а какой-то пока еще не раскрытый объективный механизм, который ждет своего научного раскрытия. И значит Иерархия законов возникновения и развития мира еще только-только начинает познаваться человеком.

Дополнительная информация по этой теме:

Географическими следствиями суточного вращения Земли являются:
1. Смена дня и ночи.
2. Деформация фигуры Земли.
3. Существование силы Кориолиса, действующей на движущиеся тела.
4. Возникновение приливов и отливов.

«О причине вращения Земли и других необъяснённых явлениях.
habar Космический ученый
Дата: Воскресенье, 20.11.2011, 19:55

ОСНОВЫ СФЕРИЧЕСКОЙ И ПРАКТИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ

ГЛАВА 1

Значение астрономии

Астрономия и ее методы имеют большое значение в жизни современного общества. Вопросы, связанные с измерением времени и обеспечением человечества знанием точного времени, решаются теперь специальными лабораториями - службами времени, организованными, как правило, при астрономических учреждениях.

Астрономические методы ориентировки наряду с другими по-прежнему широко применяются в мореплавании и в авиации, а в последние годы - и в космонавтике.

Вычисление и составление календаря, который широко применяется в народном хозяйстве, также основаны на астрономических знаниях.

Составление географических и топографических карт, предвычисление наступлений морских приливов и отливов, определение силы тяжести в различных точках земной поверхности с целью обнаружения залежей полезных ископаемых - все это в своей основе имеет астрономические методы.

Исследования процессов, происходящих на различных небесных телах, позволяют астрономам изучать материю в таких ее состояниях, какие еще не достигнуты в земных лабораторных условиях. Поэтому астрономия, и в частности астрофизика, тесно связанная с физикой, химией, математикой, способствует развитию последних, а они, как известно, являются основой всей современной техники.

Астрономия, изучая небесные явления, исследуя природу, строение и развитие небесных тел, доказывает, что Вселенная подчинена единым законам природы и в согласии с ними развивается во времени и в пространстве. Поэтому выводы астрономии имеют глубокое философское значение.

В какой бы точке земной поверхности мы ни находились, нам всегда кажется, что все небесные тела находятся от нас на одинаковом расстоянии на внутренней поверхности некоторой сферы, которая в просторечии называется небесным сводом , или просто небом .

Днем небо, если оно не закрыто облаками, имеет голубой цвет, и мы видим на нем самое яркое небесное светило - Солнце. Иногда, одновременно с Солнцем, днем видна Луна и очень редко некоторые другие небесные тела, например, планета Венера.

В безоблачную ночь на темном небе мы видим звезды, Луну, планеты, туманности, иногда кометы и другие тела. Первое впечатление от наблюдения звездного неба - это бесчисленность звезд и беспорядочность расположения их на небе. В действительности звезд, видимых невооруженным глазом, не так много, как кажется, всего лишь около 6 тысяч на всем небе, а на одной половине его, которая видна в данный момент из какой-либо точки земной поверхности, не более 3 тысяч.

Звезды обладают двумя свойствами: 1) отличаются по яркости друг от друга; 2) относительно неподвижны. Эти свойства позволяют выделить на небе фигуры из звезд, называемые созвездиями .

Система созвездий нашего неба была создана еще за 500 лет до н.э. древними греками.

Созвездия обозначались названиями животных (Большая Медведица, Лев, Дракон и т.п.), именами героев греческой мифологии (Кассиопея, Андромеда, Персей и т.д.) или просто названиями тех предметов, которые напоминали фигуры, образованные яркими звездами группы (Северная Корона, Треугольник, Стрела, Весы и т.п.).

С XVII в. отдельные звезды в каждом созвездии стали обозначаться буквами греческого алфавита, причем, как правило, в порядке убывания их яркости. Несколько позже была введена числовая нумерация, употребляемая в настоящее время в основном для слабых звезд. Кроме того, яркие звезды (около 130) получили собственные имена. Например: a Большого Пса называется Сириусом, a Возничего - Капеллой, a Лиры - Вегой, a Ориона - Бетельгейзе, b Ориона - Ригелем, b Персея - Алголем и т.д. Эти названия и обозначения звезд применяются и в настоящее время. Однако границы созвездий, намеченные древними астрономами и представлявшие извилистые линии, в 1922 г. на состоявшемся астрономическом съезде были изменены, некоторые большие созвездия были разделены на несколько самостоятельных созвездий, а под созвездиями стали понимать не фигуры из звезд, а участки звездного неба . Теперь все небо условно разделено на 88 отдельных участков - созвездий.

Наиболее яркие звезды в созвездиях служат хорошими ориентирами для нахождения на небе более слабых звезд или других небесных объектов.

Если в ясную ночь пронаблюдать звездное небо в течение нескольких часов, то легко заметить, что небесный свод, как одно целое, со всеми находящимися на нем светилами плавно вращается около некоторой воображаемой оси, один конец которой проходит через место наблюдения, а другой- очень близко около Полярной звезды. Это вращение небесного свода и светил называется суточным движением звездного неба , так как одно полное обращение совершается за сутки. Вследствие суточного вращения звезды и другие небесные тела непрерывно меняют свое положение относительно сторон горизонта и описывают круги вокруг оси вращения.

Тема: Вращение звездного неба

Цель: Познакомить учащихся с небесной средой и ее вращением, ориентировкой по небу. Рассмотреть горизонтальную систему координат, изменение координаты и понятие кульминации светил, перевод градусной меры в часовую и обратно.

Задачи:

• 1. Обучающая: ввести понятия: суточное движение светил; небесной сферы и горизонтальной системы координат; прецессии; заходящие, невосходящие, незаходящие светила; кульминация, продолжить формирование умения работать с ПКЗН и астрономических способах ориентирование на местности по звездам. Об астрономических методах исследований астрономических наблюдениях и измерениях и угломерных астрономических инструментах (высотомер, теодолит и т.д.). О космических явлении - вращении Земли вокруг своей оси и об ее следствиях - небесных явлениях: восходе, заходе, суточном движении и кульминациях светил (звезд).
• 2. Воспитывающая: содействовать формированию навыка выявления причинно-следственных связей, о практических способах применения астрометрических знаний.
• 3. Развивающая : используя проблемные ситуации, подвести учащихся к самостоятельному выводу, что вид звездного неба не остается одинаковым в течении суток, формирование вычислительных навыков в переводе градусной меры в часовую и обратно. Формирование умений: применять подвижную карту звездного неба, звездные атласы, Астрономический календарь для определения положения и условий видимости небесных светил и протекания небесных явлений; находить на небе Полярную звезду и ориентироваться по ней на местности.

Знать: 1-й уровень (стандарт) - понятие небесной сферы и направление вращения неба, характерные точки и линии небесной сфера, небесный меридиан, вертикал, горизонтальную систему координат, зенитное расстояние, понятие кульминации светила и прецессии, перевода градусной меры в часовую и обратно. Использовать угломерные астрономические инструменты: теодолит, высотомер. Находить на небе основные созвездия и наиболее яркие звезды, видимые в это время года в данное время в данной местности.

2-й уровень - понятие небесной сферы и направление вращения неба, характерные точки и линии небесной сфера, небесный меридиан, вертикал, горизонтальную систему координат, зенитное расстояние, понятие кульминации светила и их деление, прецессии, перевода градусной меры в часовую и обратно. Использовать угломерные астрономические инструменты: теодолит, высотомер. Находить на небе основные созвездия и наиболее яркие звезды, видимые в это время года в данное время в данной местности.

Уметь: 1-й уровень (стандарт) -строить небесную сферу с отметкой характерных точек и линий, показать на сфере горизонтальные координаты, суточные параллели звезд, показать точки кульминации, производить простейший перевод часовой меры в градусную и обратно, показать на ПКЗН созвездия и яркие звезды, применять знания основных понятий для решения качественных задач. Находить на небе Полярную звезду и ориентироваться на местности по Полярной звезде.

2-й уровень - строить небесную сферу с отметкой характерных точек и линий, показать на сфере горизонтальные координаты, суточные параллели звезд по их делению, показать точки кульминации и зенитное расстояние, производить перевод часовой меры в градусную и обратно, находить по ПКЗН созвездия и яркие звезды, кульминацию звезд в определенный промежуток времени, применять знания основных понятий для решения качественных задач. Находить на небе Полярную звезду и ориентироваться на местности по Полярной звезде и с помощью карты звездного неба; находить на небе основные созвездия и наиболее яркие звезды, видимые в это время года в данное время в данной местности; использовать подвижную карту звездного неба, звездные атласы, справочники, Астрономический календарь для определения положения и условий видимости небесных светил и протекания небесных явлений.

Оборудование : ПКЗН, модель небесной сферы. Астрономический календарь. Фото околополярной области неба. Таблица перевода градусной меры в часовую. CD- "Red Shift 5.1" (видеофрагмент = Экскурсии - Звездные острова - Ориентировка на небе).

Ход урока:

I Повторение материала (8-10мин).

• 1) Анализ с/р с прошлого урока (рассмотреть задание, вызвавшие затруднение).
• 2) Диктант.
• 1. Сколько всего созвездий на небе? .
• 2. Сколько звезд можно насчитать невооруженным глазом на небе? [около 6000].
• 3. Запишите название любого созвездия.
• 4. Какой буквой обозначается самая яркая звезда? [б-альфа].
• 5. В состав какого созвездия входит Полярная звезда? [М.Медведица].
• 6. Какие виды телескопов вы знаете? [рефлектор, рефрактор, зеркально-линзовый].
• 7. Назначение телескопа. [увеличивает угол зрения, собирает большие света].
• 8. Назовите известные вам типы небесных тел. [планеты, спутники, кометы и т.д].
• 9. Назовите любую, известную вам звезду.
• 10. Специальные научно - исследовательское учреждение для наблюдений. [обсерватория].
• 11. Чем характеризуется звезда на небе в зависимости от видимой яркости. [звездные величины].
• 12. Светлая полоса, пересекающая небо и видимая в яркую звездную ночь.[Млечный путь].
• 13. Как определить направление на север? [по Полярной зезде].
• 14. Расшифруйте запись Регул (б Льва). [созвездие Льва, звезда б, Регул].
• 15. Какая звезда ярче на небе б или в? [б].

Оценивается: “5” ? 14, “4” ? 11, “3” ?8

II. Новый материал(15 мин).

А) Ориентировка на небе CD- "Red Shift 5.1" (видеофрагмент = Экскурсии - Звездные острова - Ориентировка на небе), хотя можно было этот раздел включить на 2-м уроке: "Кто знает, как найти в небе Полярную звезду?". Чтобы найти Полярную звезду, нужно через звезды Большой Медведицы (первые 2 звезды "ковша") мысленно провести прямую линию и отсчитать по ней 5 расстояний между этими звездами. В этом месте рядом с прямой мы увидим звезду, почти одинаковую по яркости со звездами "ковша" - это и есть Полярная звезда (рис слева).

Рисунок 1 - Полярная звезда

Обзор звездного неба на 15 сентября, 21 час. Летний (летне-осенний) треугольник = звезда Вега (a Лиры, 25,3 св. лет), звезда Денеб (a Лебедя, 3230 св. лет), звезда Альтаир (a Орла, 16,8 св. лет).

• Б) 1) Звезда - светлый след, за сутки
• 2) Центр - близок к Полярной звезде

Рисунок 2 - Фото околополярной области неба

Суточное вращение небосвода - положение звезд относительно друг друга не меняется

Наблюдаемое суточное вращение небесной сферы (с востока на запад) - кажущееся явление, отражающее действительное вращение земного шара вокруг своей оси (с запада на восток). //подсказка - суточное вращение по движению Солнца//.

В действительности звезды движутся в пространстве и расстояние до них различно. Ведь если например оценить на глаз расстояние до деревьев за окном. Какое из них ближе к нам? Насколько? А теперь мысленно будем удалять эти два дерева. До 500 м человек уверенно определяет различия в расстояниях до предметов, а максимум до 2 км. А на больших расстояниях человек неосознанно пользуется другими критериями - сравнивает видимые угловые размеры, опирается на перспективу видимой картины. Следовательно, если деревья находятся в открытой местности, где больше ничего нет, то, начиная с некоторого расстояния, мы перестанем различать, какое дерево ближе (дальше) и тем более не сможем оценить расстояние между ними. Нам будет казаться с определенного момента, что деревья одинаково удалены от нас . А на небе, когда расстояние от Земли до Луны составляет 384 400 км, до Солнца - около 150 млн. км, а до самой близкой звезды, б Центавра, - в 275 400 раз больше, чем до Солнца. Поэтому и на небе нам кажется что все светила находятся на одинаковом расстоянии. Человеческие глаза в лучшем случае могут различать расстояния лишь в пределах 2км.

Геометрическое место точек, равноудаленных от точки, являющейся центром, называется сферой. Нам кажется, что все небесные светила расположены на внутренней поверхности огромной сферы. Это впечатление усиливается ещё тем, что собственное движение звезд в силу их удаленности незаметно и суточное движение звезд происходит синхронно. Поэтому возникает кажущаяся целостность видимого суточного вращения небесной сферы.

Что является центром небесной сферы? (Глаз наблюдателя )

Каков радиус небесной сферы? (Произвольный )

Чем отличаются небесные сферы двух соседей по парте? (Положением центра ).

Можно ли утверждать, что эти сферы одинаковы? Сравните расстояние до соседа с радиусом небесной сферы.

Для решения многих практических задач расстояния до небесных тел не играют роли, важно лишь их видимое расположение на небе. Угловые измерения не зависят от радиуса сферы. Поэтому, хотя в природе небесной сферы и не существует, но астрономы для изучения видимого расположение светил и явлений, которые можно наблюдать на небе в течении суток или многих месяцев, применяют понятие Небесная сфера - воображаемой сферы произвольного радиуса (сколь угодно большого), в центре которой находится глаз наблюдателя. На такую сферу и проецируются звезды, Солнце, Луна, планеты и т.д, отвлекаясь от действительных расстояний до светил и рассматривая лишь угловые расстояние между ними.

Первое упоминание о “хрустальных сферах” у Платона (427-348, Др. Греция). Первое изготовление небесной сферы встретили у Архимеда (287-212, Др. Греция), описано в работе “Об изготовлении небесной сферы”.

Самый древний небесный глобус “Глобус Фарнезе” 3 в. до н. э. из мрамора хранится в Неаполе.

Итак:

Что является центром небесной сферы? (Глаз наблюдателя).

Каков радиус небесной сферы? (Произвольный, но достаточно большой).

Чем отличаются небесные сферы двух соседей по парте? (Положением центра).

Рисунок 3 - Небесная сфера и горизонтальная система координат

РР 1 - Ось мира = ось видимого вращения небесной сферы (параллельна оси вращение Земли)

Р и Р 1 - Полюса мира (северный и южный).

ZZ 1 отвесная (вертикальная) линия.

Z - зенит , Z 1 - надир = точки пересечения отвесной линии с небесной сферой.

Истинный горизонт - плоскость перпендикулярная отвесной линии ZZ1 и проходящая через центр О (глаз наблюдателя).

Небесный меридиан - большой круг небесной сферы, проходящий через зенит Z, полюс мира Р, южный полюс мира Р", надир Z.

NS - полуденная линия. N - точка севера, S - точка юга.

Вертикал (круг высоты) - полукруг небесной сферы ZОМ.

Небесный экватор - линия окружности, полученная от пересечения небесной сферы с плоскостью проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно к оси мира.

Итак:

Каков период вращения небесной сферы? (Равен периоду вращения Земли - 1 сутки).

В каком направлении происходит видимое (кажущееся) вращение небесной сферы? (Противоположно направлению вращения Земли).

Что можно сказать о взаимном расположении оси вращения небесной сферы и земной оси? (Ось небесной сферы и земная ось будут совпадать).

Все ли точки небесной сферы участвуют в видимом вращении небесной сферы? (Точки, лежащие на оси, покоятся).

Чтобы лучше представить вращение небесной сферы, посмотрите следующий фокус. Возьмем надутый воздушный шар и проколем его спицей насквозь. Теперь можно вращать шар вокруг спицы - оси.

Где на этой модели находится наблюдатель?

В каком месте шара находится южный и северный полюсы мира?

Где на шаре следует нарисовать Полярную звезду?

Укажите геометрическое место точек, которые во время вращения не изменяют своего местоположения.

В каком направлении происходит видимое вращение небесной сферы, если наблюдать с северного полюса (с южного полюса)?

Земля движется по орбите вокруг Солнца. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты на угол 66,5 0 (показать с помощью картона проколанного спицей). Вследствие действия сил тяготения со стороны Луны и Солнца ось вращения Земли смещается, в то время как наклон оси к плоскости земной орбиты остается постоянным. Ось Земли как бы скользит по поверхности конуса. (то же происходит с осью у обыкновенного волчка в конце вращения). Это явление было открыто еще в 125 г. до н. э. греческим астрономом Гиппархом и названо прецессией . Один оборот земная ось совершает за 25 735 лет - этот период называется платоническим годом . Сейчас вблизи Р - северного полюса мира находится Полярная звезда - б М. Медведица. Дальше титул Полярной поочередно присваивался р, з и ф Геркулеса, звездам Тубан и Кохаб. Римляне вовсе не имели Полярной звезды, а Кохаб и Киносуру (б Малой Медведицы) называли Стражами.

На начало нашего летоисчисление - полюс мира был вблизи б Дракона - 2000 лет назад, а б Малой Медведицы стала полярной звездой в 1100 году. В 2100 г полюс мира будет всего в 28" от Полярной звезды - сейчас в 44". В 3200г полярным станет созвездие Цефей. В 14000 г - полярной будет Вега (б Лиры).

Рисунок 4 - Горизонтальная система координат

h - высота - угловое расстояние светила от горизонта (? МОА, измеряется в градусах, минутах, секундах; от 0 о до 90 о) А - азимут - угловое расстояние вертикала светила от точки юга (? SOА) в направлении суточного движения светила, т.е. по часовой стрелке; измеряется в градусах минутах и секундах от 0 о до 360 о).

Горизонтальные координаты светила в течение суток меняется.

А" Равноценная высоте>зенитное расстояние Z=90 o - h [форм 1]

Кульминация - явление пересечения светилом небесного меридиана.

Светило М в течение суток описывает суточную параллель - малый круг небесной сферы, плоскость которого оси мира и проходит через глаз наблюдателя.

М 3 - точка восхода, М 4 - точка захода, М 1 - верхняя кульминация (h max; А= 0 o), М 2 - нижняя кульминация (h min; A =180 o)

По суточному движению светила делятся на:

1 - невосходящие 2 - (восходяще - заходящие ) восходящие и заходящие 3 - незаходящие . К каким относится Солнце, Луна? (2)

III Закрепление материала(15 мин).

• А) Вопросы
• 1. Что такое небесная сфера?
• 2. Какие линии и точки небесной сферы вы знаете?
• 3. Какие наблюдения доказывают суточное вращение небесной сферы (служит ли это доказательством вращения Земли вокруг оси).
• 4. Можно ли, используя горизонтальную систему координат, создать карты звездного неба?
• 5. Что такое кульминация?
• 6. Исходя из кульминации дайте понятие незаходящим, не восходящим, - восходяще-заходящим светилам.
• Б) практическая работа по ПКЗН .
• 1. Назовите несколько созвездий незаходящих в нашей местности
• 2. Найдите линию небесного меридиана.
• 3. Какие яркие звезды будут сегодня кульминировать между 20 и 21 часами?
• 4. Найдите на ПКЗН например звезду Вега, Сириус. В каких они созвездиях находятся?
• В) 1. Переведите 3 ч, 6 ч в градусную меру (3 . 15=45 0 , 90 0)
• 2. Переведите 45 о, 90 о в часовую меру (3 ч, 6 ч)
• 3. Что больше 3 ч 25 м 15 с или 51 о 18 " 15"? (При переводе получится 51 о 18 " 45", то есть в часовой значение больше)
• Г) Тест. Фразе из левого столбца подберите подходящее по смыслу продолжение из правого

Таблица 1 - Тест

Таблица 2 - ответы

IV Итог урока

• 1) Вопросы :
  • · Какие координаты входят в горизонтальную систему координат?
  • · Что такое высота и как она измеряется?
  • · Что такое азимут и как он измеряется?
  • · Как определить зенитное расстояние светила?
• 2) Оценки