Планета земля. 
Астрономия. 
Солнечная система

Поскольку с рельефом, климатом и свойствами атмосферы Земли знакомят многие учебные курсы, данная глава посвящена прежде всего астрономическим (общим) характеристикам нашей планеты.

Земля — третья (если считать от Солнца) планета в Солнечной системе. Она совершает один оборот вокруг Солнца за 365,25 636 суток (365 суток 06 ч 09 мин 10 с). Это так называемый звездный, или сидерический год нашей планеты. Средний промежуток времени между двумя последовательными весенними равноденствиями составляет 365,2422 суток (365 суток 05 ч 48 мин 45 с) и называется тропический год.

Строго говоря, вокруг Солнца движется не Земля, а барицентр (центр масс) системы Земля—Луна. Вокруг барицентра обращаются и Земля, и Луна. Барицентр находится на расстоянии 4672 км от центра Земли в направлении к Луне, т. е. примерно на глубине 1700 км под поверхностью Земли. Поскольку Луна совершает оборот вокруг барицентра примерно за месяц, Земля также поворачивается относительно него за тот же период.

Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 149,6 • 10⁶ км, что принято за единицу измерения расстояний в Солнечной системе.

(1 астрономическая единица, или 1 а. е.). Земля движется по эллиптической орбите с небольшим эксцентриситетом е = 0,1 672. В результате расстояние от Земли до Солнца периодически изменяется от 147 117 000 км (в перигелии, 2—5 января) до 152 083 000 км (в афелии, 1—5 июля). Точки перигелия и афелия соединяет линия апсид, совпадающая с большой осью эллипса орбиты Земли.

Эллиптичность орбиты Земли в соответствии со вторым законом Кеплера приводит к тому, что скорость движения Земли вокруг Солнца различна в разных точках орбиты. Средняя скорость движения Земли составляет 29,79 км/с, что близко к 100 000 км/ч. В перигелии скорость движения Земли увеличивается до 30,29 км/с, в афелии — уменьшается до 29,29 км/с.

Земля вращается вокруг своей оси в том же направлении, в котором она движется вокруг Солнца (против часовой стрелки, если смотреть со стороны Полярной звезды или северного полюса мира). Период вращения (сидерический) составляет 23 ч 56 мин 04,1 с. Поскольку Земля движется вокруг Солнца, нам кажется, что это Солнце движется по небу среди звезд в обратном направлении, смещаясь на небе примерно на 1° в сутки (360°/365,26 суток ~ 1°/сутки). В результате в среднем один оборот вокруг своей оси относительно слегка смещающегося Солнца не равен сидерическому периоду, а несколько больше его. Этот период называется средними солнечными сутками.

Земля, в отличие от Меркурия и Венеры, имеет несферическую форму. Отклонение от формы шара незначительно, но заметно. Экваториальный диаметр нашей планеты составляет 12 756,320 км, полярный — 12 713,548 км. Разность между этими значениями равна 42,772 км. Таким образом, сплюснутость Земли составляет 0,3%. Несферичность Земли приводит к появлению целого ряда эффектов. Поскольку на экваториальный выступ Земли действует притяжение Солнца и Луны, ось вращения Земли выписывает очень сложное движение в пространстве.

Во-первых, ось вращения Земли медленно описывает конус вокруг оси эклиптики — линии, перпендикулярной плоскости орбиты Земли. При этом наклон оси вращения Земли к оси эклиптики остается почти постоянным и равным 23° 26'. Это явление называется прецессией. Ось вращения Земли описывает полный конус с периодом около 26 000 лет. В настоящее время ось вращения Земли направлена приблизительно в сторону Полярной звезды, но это направление очень медленно меняется. 4000 лет назад ближе всего к северному полюсу мира была звезда, а Дракона, через 12 000 лет северный полюс мира приблизится к звезде, а Лиры (Веге). Северный полюс мира совершает на небе круг радиусом около 23°26' за указанный период и вернется к Полярной звезде через 26 000 лет.

Во-вторых, из-за периодического изменения силы и направления притяжения со стороны Солнца и Луны, на эффект прецессии накладывается еще один эффект — нутация земной оси, которая проявляется в мелких колебаниях оси вращения около своего среднего положения. Прецессионные силы Солнца и Луны равны нулю, когда Солнце и Луна находятся в плоскости экватора Земли, и увеличиваются до максимума при наибольшем удалении указанных светил от этой плоскости. В результате истинное положение оси вращения Земли описывает эллипсы вокруг среднего положения, определяемого нутацией. Эти эллипсы невелики (18,42″ х 13,72″), но, тем не менее, они существуют. Период главного нутационного колебания земной оси (а их несколько) составляет 18,6 года. Детальный анализ нутационных колебаний позволяет уточнять распределение масс (внутреннее строение) Земли.

В-третьих, благодаря слабому притяжению планет, незначительно меняется положение в пространстве плоскости земной орбиты (плоскости эклиптики). Эти изменения с трудом обнаружимы, однако также достоверно существуют. Они проявляются в смещении точки весеннего равноденствия на небе к востоку на 0,114″ в год. Эффект получил название планетная прецессия.

Небольшая асимметрия формы Земли, а также вероятная асимметрия распределения масс в теле Земли приводят к тому, что тело Земли немного смещается относительно оси ее вращения. Точки пересечения поверхности Земли и оси ее вращения называются географическими полюсами. Если тело планеты смещается относительно оси вращения, то полюсы вместе со связанной с ними системой географических координат должны также смещаться (блуждать) по поверхности Земли. Этот эффект был обнаружен: широта отдельных географических пунктов периодически изменяется примерно на 0,3″. При этом, если широта увеличивается, то в другом пункте на противоположном географическом меридиане она уменьшается. Эти смещения географических полюсов и связанной с ними системы географических координат невелики (полюсы движутся по поверхности Земли в пределах квадрата со стороной около 25 м) и периодичны. Основными периодами является годичный период (12 месяцев) и так называемый период Чандлера (14 месяцев).

Период Чандлера — естественный период колебаний Земли, теоретически предсказанный Леонардом Эйлером еще в XVIII в. С этим периодом полюс движется по кругу со средним диаметром около 9 м. Если бы Земля была абсолютно твердым телом, этот период равнялся бы 10 месяцам. Но Земля пластична, подвержена упругим деформациям, и период Чандлера оказался продолжительнее. Что касается годичного периода, с которым полюс перемещается по вытянутому эллипсу с средней большой осью около 14 м, то он связан с сезонными изменениями на Земле: перераспределением масс на поверхности Земли в связи с выпадением и таянием снегов, сезонными ветрами, океаническими течениями и т. д.

Все указанные эффекты приводят к тому, что положение Земли в пространстве сложным образом меняется. Земля участвует одновременно в целом наборе движений (вращений) с разными параметрами и периодами. В результате непрерывно меняются координаты всех светил на небе в принятой в астрономии экваториальной системе координат, которая связана с положением экватора Земли в пространстве.

Помимо изменений в пространственном положении Земли и оси ее вращения, наблюдаются изменения в скорости вращения Земли вокруг своей оси. Оказалось, что Земля вращается существенно неравномерно.

Вековые изменения скорости вращения Земли связаны с тормозящим влиянием лунных и солнечных приливов. В результате в течение последних 250 лет фиксируется систематическое замедление вращения Земли примерно на 0,0014 с (1,4 мс) за 100 лет.

Сезонные изменения скорости вращения Земли приводят к увеличениям и уменьшениям продолжительности суток на величину до 0,001 с в течение года. Самые короткие сутки наблюдаются в июле— августе (Земля вблизи афелия орбиты), самые длинные сутки — в марте (вскоре после перигелия). Наиболее вероятными причинами эти изменений являются сезонные перераспределения воздушных и водных масс на поверхности Земли.

Нерегулярные изменения скорости вращения Земли проявляются в виде неожиданных скачкообразных вариаций продолжительности суток на тысячные доли секунды за характерное время порядка нескольких месяцев. Причина этих изменений достоверно не известна. Помимо гипотетических перемещений вещества в недрах (ядре) Земли, рассматриваются и циркуляция атмосферных и водных масс, и даже взаимодействие выбросов вещества из Солнца с магнитосферой Земли.

Высокоточные (прецизионные) наземные астрономические наблюдения, подкрепляемые наблюдениями с космических аппаратов, позволили обнаружить и определить параметры перечисленных движений, в которых участвует Земля. Несомненно, аналогичные эффекты характерны и для других планет, но пока они не измерены из-за отсутствия необходимых средств наблюдений на планетах.

Заметный наклон оси вращения Земли к плоскости орбиты (66° 34') приводит к эффекту сезонов, или смены времен года, который отсутствует на Меркурии и Венере. Поскольку положение оси вращения Земли в пространстве постоянно (если исключить медленные эффекты прецессии и нутации), получается, что в течение года, в процессе движения Земли по орбите вокруг Солнца, меняется положение оси по отношению к Солнцу. В результате меняются условия освещения солнечными лучами Северного и Южного полушарий.

Когда Северное полушарие наклоняется в сторону Солнца, здесь (в Северном полушарии) солнечные лучи падают все более отвесно на земную поверхность и, следовательно, нагревают ее все больше. Для наблюдателя на Земле в Северном полушарии это выглядит следующим образом: с каждым днем Солнце, двигаясь по небу, поднимается все выше над горизонтом. Выше всего Солнце оказывается в полдень над горизонтом 21—22 июня, когда проекция оси вращения Земли на плоскость земной орбиты направлена прямо на Солнце.

По мере того, как Северное полушарие наклоняется в сторону Солнца, все большая часть этого полушария оказывается освещенной солнечными лучами. При этом продолжительность дня увеличивается, а продолжительность ночи сокращается. Самый длинный день в Северном полушарии оказывается 22 июня, когда Солнце выше всего (день летнего солнцестояния).

В это же время в Южном полушарии все происходит наоборот: солнечные лучи падают все более полого к земной поверхности, нагревая ее все меньше. Для наблюдателя в Южном полушарии Солнце, ежедневно двигаясь по небу, опускается все ниже над горизонтом. Соответственно, 21—22 июня оно оказывается в полдень на минимальной высоте.

Южное полушарие при этом «отворачивается» от Солнца, и все меньшая часть поверхности Земли в этом полушарии оказывается освещенной солнечными лучами. Продолжительность ночи нарастает, продолжительность дня уменьшается. Процесс достигает своего максимума 22 июня.

После 22 июня угол между осью вращения Земли и направлением на Солнце начинает медленно увеличиваться; Северное и Южное полушария меняются местами: теперь Северное медленно отворачивается от Солнца, а Южное поворачивается к нему. Выше всего над горизонтом в Южном полушарии Солнце оказывается 21—22 декабря, в это же время в Северном полушарии оно оказывается ниже всего (день зимнего солнцестояния). Соответственно меняется продолжительность дня и ночи.

В моменты, когда ось вращения Земли перпендикулярна солнечным лучам, условия освещения Южного и Северного полушарий одинаковы, а продолжительность дня равна продолжительности ночи на всей Земле. Эти моменты соответствуют дням весеннего и осеннего равноденствия, соответственно 21 марта и 23 сентября. В период с 21 марта по 23 сентября Северное полушарие получает больше тепла, чем южное, с 23 сентября по 21 марта — наоборот.

На высоких широтах (выше 66° 34') наблюдаются полярный день и полярная ночь, когда Солнце совсем не заходит либо совсем не восходит. На полюсах полярный день и полярная ночь длятся по полгода, а на более низких широтах их продолжительность уменьшается.

Если бы орбита Земли представляла собой окружность, изменения в условиях освещения со стороны Солнца для Северного и Южного полушарий были бы абсолютно симметричными. Но эллиптичность земной орбиты приводит к тому, что когда в Северном полушарии зима, Земля находится близко к перигелию орбиты, в результате чего количество тепловой энергии, поступающей от Солнца, оказывается на 7% больше, чем во время нахождения в афелии. Кроме того, в перигелии Земля движется быстрее, чем в афелии. Этим объясняется менее суровая зима и более прохладное лето в Северном полушарии по сравнению с более контрастными сезонами в Южном полушарии.

На практике различия в количествах поступающего тепла в перигелии и афелии не равны 7%, поскольку дополнительное влияние оказывают такие переменные величины, как облачность, определяющая долю отражаемого от планеты излучения. Дополнительный перенос тепла между полушариями осуществляется циркуляцией атмосферы и океаническими течениями. Свой вклад вносит и асимметричное распределение суши в Северном и Южном полушариях.

Средняя температура поверхности Земли составляет 288 К, или +15 °С. Амплитуда колебаний температуры приземного воздуха в отдельных точках поверхности планеты может быть значительной: от зарегистрированной величины -89 °С в зимней Антарктиде до +60 °С в каменистых каньонах на юге США.