Форма и движения Земли

Со школьного глобуса Земля кажется идеальным шаром, но это упрощение, и экзамен на нём ловит.

Первое отклонение вызвано вращением. Любая вращающаяся жидкость или пластичное тело выпучивается по экватору и сплющивается у полюсов. У Земли экваториальный радиус ≈ 6378 км, полярный ≈ 6357 км: разница около 21 км. Такая фигура называется эллипсоидом вращения.

Второе отклонение — от неоднородности недр: где породы плотнее, притяжение сильнее, и поверхность океана слегка прогибается. Фигуру, которая точно повторяет поверхность спокойного океана, мысленно продолженную под материками, называют геоидом (буквально «подобный Земле»). От эллипсоида геоид отступает всего на десятки метров, но для точных карт и спутниковой навигации это важно.

Что из формы следует практически. Раз Земля шарообразна, солнечные лучи падают на разные широты под разным углом: у экватора почти отвесно, у полюсов скользя. Один и тот же поток энергии у полюса растягивается на большую площадь и греет слабее. Это и есть первопричина зональности — того, что природа меняется полосами от экватора к полюсам. Вся остальная физическая география вырастает из этого простого геометрического факта.

И ещё одно следствие, которое любят в заданиях: из-за шарообразности горизонт ограничен, корабль «уходит за него» мачтами вверх, а с высоты видно дальше. Именно так шарообразность и доказали задолго до космических снимков.

Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, то есть против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса. Полный оборот относительно Солнца занимает 24 часа — это солнечные сутки.

Скорость вращения на поверхности зависит от широты: на экваторе точка проходит за сутки всю окружность в 40 075 км, то есть движется со скоростью около 1670 км/ч; на широте 60° — вдвое меньше; на полюсе точка только поворачивается на месте. Мы этого не чувствуем, потому что вместе с нами движется вся атмосфера.

Следствия осевого вращения, которые нужно уметь назвать:

• • Смена дня и ночи — самое очевидное.
• • Суточный ритм в природе и у живых организмов: суточный ход температуры, бризы, раскрывание цветков, сон и бодрствование.
• • Сплюснутая у полюсов форма планеты.
• • Отклоняющая сила вращения (сила Кориолиса): все тела, движущиеся по поверхности, отклоняются вправо в Северном полушарии и влево в Южном.
• • Возможность вести счёт времени и делить планету на часовые пояса.

Отклоняющая сила объясняет больше, чем кажется: вращение циклонов и антициклонов, направление постоянных ветров и океанических течений, а также закон Бэра — реки Северного полушария сильнее подмывают правый берег, отчего у Волги, Днепра и Оби правый берег высокий и обрывистый, а левый пологий.

Земля обращается вокруг Солнца за 365 суток с четвертью. Эта четвертушка и порождает високосный год: каждые четыре года накопившиеся сутки добавляют к февралю.

Орбита — не круг, а слегка вытянутый эллипс. В начале января Земля ближе всего к Солнцу (около 147 млн км), в начале июля — дальше всего (около 152 млн км), среднее расстояние ≈ 149,6 млн км. И вот здесь главная ловушка темы: смена времён года вызвана вовсе не изменением расстояния. Иначе зима наступала бы на всей планете одновременно, а в Северном полушарии она приходит как раз тогда, когда Земля ближе к Солнцу.

Настоящая причина — наклон земной оси на 23,5° к плоскости орбиты и её постоянное направление в пространстве. Ось всё время смотрит в одну точку неба (на Полярную звезду), поэтому полгода к Солнцу сильнее наклонено Северное полушарие, а полгода — Южное. Наклонённое полушарие получает лучи под бо́льшим углом и имеет более длинный день — там лето.

Проверка понимания одной фразой: если бы ось была перпендикулярна орбите, времён года не было бы вовсе, день всегда равнялся бы ночи, а природные зоны шли бы строгими полосами без сезонных различий. Это стандартный вопрос заданий на объяснение.

Эти четыре дня — каркас всей темы, и через них решаются задания на высоту Солнца и длину дня.

21 марта — весеннее равноденствие. Солнце в полдень в зените над экватором. На всей планете день равен ночи. С этого дня в Северном полушарии день начинает превышать ночь.

22 июня — летнее солнцестояние. Солнце в зените над Северным тропиком (23,5° с. ш.). В Северном полушарии самый длинный день в году; севернее Северного полярного круга (66,5° с. ш.) Солнце не заходит — полярный день. Южнее Южного полярного круга в это время полярная ночь.

23 сентября — осеннее равноденствие. Снова зенит над экватором, день равен ночи повсюду.

22 декабря — зимнее солнцестояние. Солнце в зените над Южным тропиком (23,5° ю. ш.). В Северном полушарии самый короткий день, за Северным полярным кругом — полярная ночь, а в Южном полушарии разгар лета.

Запоминающаяся деталь: именно поэтому Новый год в Австралии празднуют на пляже, а в Аргентине январь — самый жаркий месяц. Полушария живут в противофазе.

Тропики и полярные круги — не произвольные линии, а прямое следствие наклона оси. Тропик — самая дальняя от экватора широта, где Солнце ещё может оказаться в зените; её значение (23,5°) равно углу наклона. Полярный круг — самая близкая к экватору широта, где бывает полярный день; её значение — 90° минус 23,5°, то есть 66,5°.

Задание 3 и часть заданий 27 требуют сравнить, где Солнце стоит выше. Считается это одной формулой:

h = 90° − разница широт точки и той параллели, над которой Солнце в зените.

В дни равноденствия Солнце в зените над экватором (0°), поэтому для любой точки h = 90° − широта. Для Москвы (56°) 21 марта полуденная высота Солнца равна 90 − 56 = 34°.

22 июня Солнце в зените над 23,5° с. ш. Для Москвы разница широт: 56 − 23,5 = 32,5, значит h = 90 − 32,5 = 57,5°. Это максимум за год.

22 декабря Солнце в зените над 23,5° ю. ш. Для Москвы разница: 56 + 23,5 = 79,5 (широты в разных полушариях — складываем), значит h = 90 − 79,5 = 10,5°. Это минимум за год, отсюда и низкое зимнее солнце, и длинные тени.

Вывод, который нужен постоянно: чем ближе точка к той параллели, над которой Солнце в зените, тем выше Солнце и тем больше тепла. Поэтому в задании «расположите города в порядке увеличения полуденной высоты Солнца 22 июня» достаточно посмотреть на широты: чем южнее город (ближе к Северному тропику), тем Солнце выше. А 22 декабря — тоже чем южнее, потому что Солнце ушло в Южное полушарие и ближе к нему опять южные города.

Сила Кориолиса — это не настоящая сила, а следствие того, что мы наблюдаем движение с вращающейся поверхности. Пока тело летит по прямой в пространстве, Земля под ним успевает повернуться, и со стороны кажется, что тело свернуло.

Правило простое: в Северном полушарии всё движущееся отклоняется вправо, в Южном — влево. Сила равна нулю на экваторе и растёт к полюсам, поэтому в тропиках её действие слабее, чем в умеренных широтах.

Где это видно:

Ветры. Воздух, стекающий из области высокого давления в область низкого, не идёт по прямой, а закручивается. Поэтому в циклоне Северного полушария ветер дует против часовой стрелки, а в антициклоне — по часовой; в Южном полушарии наоборот. Пассаты, дующие от тропиков к экватору, отклоняются и становятся северо-восточными в Северном полушарии и юго-восточными в Южном.

Течения. Крупные круговороты в океанах Северного полушария вращаются по часовой стрелке, в Южном — против.

Реки. Закон Бэра: реки Северного полушария сильнее подмывают правый берег. Поэтому у Волги, Днепра, Оби и Енисея правый берег высокий и обрывистый, а левый — пологий, с песчаными отмелями и заливными лугами. В Южном полушарии картина зеркальная.

Это прямой экзаменационный факт: вопрос «почему у Волги правый берег крутой» решается ссылкой на отклоняющую силу вращения Земли.

Мысленные эксперименты — лучший способ проверить, понял ли ты причины. Разберём четыре.

Если бы Земля не вращалась вокруг оси. Не было бы смены дня и ночи в привычном виде: одна сторона планеты была бы вечно освещена и раскалена, другая — в вечной ночи и морозе. Исчезла бы отклоняющая сила, ветры дули бы строго от высокого давления к низкому по меридианам. Не было бы и часовых поясов — само понятие потеряло бы смысл.

Если бы ось была перпендикулярна плоскости орбиты. Исчезли бы времена года: в любой точке день круглый год равнялся бы ночи, а Солнце всегда поднималось бы на одну и ту же полуденную высоту. Не было бы ни полярного дня, ни полярной ночи, а границы тропиков и полярных кругов просто не существовали бы. Природные зоны стали бы строгими полосами без сезонных явлений — без листопада, перелётов птиц, половодья.

Если бы наклон оси был вдвое больше. Сезонные различия усилились бы резко: тропики отодвинулись бы к 47°, полярные круги опустились бы туда же, и полярный день с полярной ночью захватили бы половину планеты. Климат стал бы гораздо более контрастным.

Если бы Земля вращалась в обратную сторону. Солнце всходило бы на западе, отклоняющая сила действовала бы зеркально, и течения с ветрами перестроились бы, изменив климат материков.

Такие рассуждения проверяют главное умение географии — видеть причину за следствием, и в заданиях второй части формулируются напрямую: «как изменились бы природные условия, если бы…».

Полезно знать, откуда вообще взялась уверенность в форме и движении Земли, — такие вопросы встречаются в заданиях на общую эрудицию.

Шарообразность доказывали задолго до космоса. Корабль, уходя от берега, скрывается снизу вверх: сначала пропадает корпус, последними — мачты. На севере и на юге видны разные созвездия, а высота Полярной звезды над горизонтом равна широте места. Во время лунных затмений тень Земли на Луне всегда круглая, при любом положении планеты — так может отбрасывать тень только шар. Наконец, кругосветные плавания, первое из которых завершилось в 1522 году, закрыли вопрос практически.

Вращение доказал маятник, поставленный в парижском Пантеоне в 1851 году: плоскость его качания медленно поворачивалась относительно пола, хотя внешних сил, способных её повернуть, не было. Значит, поворачивался сам пол вместе со зданием и планетой. Другое доказательство — отклонение падающих тел к востоку и уже знакомая отклоняющая сила.

Обращение вокруг Солнца подтверждается годичным смещением видимого положения ближних звёзд относительно дальних. Для географии важнее следствие: именно обращение вместе с наклоном оси даёт смену времён года.

Важная мысль, которую стоит унести: география веками работала косвенными доказательствами. Прямой снимок Земли из космоса появился только во второй половине XX века, а форму и движения планеты знали за две тысячи лет до него.

Полезно увидеть, что вся эта астрономия проявляется в самых обычных вещах, — так она перестаёт быть абстракцией.

Длина тени. Тень от предмета тем длиннее, чем ниже Солнце. В Москве 22 декабря полуденная высота Солнца всего 10,5°, и тень от человека ростом 1,8 м вытягивается почти на десять метров. 22 июня Солнце поднимается до 57,5°, и та же тень становится немногим больше метра. Отсюда правило проектировщиков: расстояние между домами рассчитывают по зимнему солнцу, иначе нижние этажи не увидят света полгода.

Направление тени. В полдень в Северном полушарии севернее тропика тень всегда указывает на север. Это самый простой способ сориентироваться без компаса.

Дальность горизонта. Из-за кривизны Земли с высоты человеческого роста видно примерно на 5 км, с двадцатиметровой мачты — около 17 км, с горы высотой километр — более 100 км. Поэтому маяки строят высокими, а наблюдательные пункты ставят на возвышенностях.

Сумерки. Чем выше широта, тем положе путь Солнца к горизонту, и тем дольше длятся сумерки. В тропиках темнеет почти мгновенно, за двадцать минут; в Петербурге в июне сумерки не кончаются вовсе — это знаменитые белые ночи, возможные там, где Солнце опускается неглубоко под горизонт.

Каждое из этих наблюдений — готовый пример в ответе на вопрос «в чём проявляются следствия движений и формы Земли».

Вращение Земли кажется очевидным только потому, что нам так сказали. Доказать его не так просто: мы вращаемся вместе с планетой, и ничего вокруг не «отстаёт».

Опыт, который поставил точку, придумал французский физик Леон Фуко. В 1851 году он подвесил под куполом парижского Пантеона стальную проволоку длиной 67 метров с грузом около 28 кг и качнул его.

Механизм. Маятник, которому никто не мешает, качается в одной и той же плоскости относительно звёзд: поворачивать эту плоскость нечему. Но зал под ним вращается вместе с планетой. Поэтому для зрителя в зале плоскость качания медленно поворачивается. Чтобы это было видно, к грузу приделали остриё, и оно чертило по песку черту за чертой, каждая под чуть большим углом.

Почему скорость поворота разная. На полюсе плоскость совершает полный оборот ровно за сутки: там ось вращения вертикальна. На экваторе маятник Фуко не поворачивается вовсе — ось вращения лежит горизонтально. В промежуточных широтах поворот тем медленнее, чем ближе к экватору; в Париже он составлял около 11° в час.

Что отсюда следует для географии. Тот же самый эффект — неподвижность направления движения относительно звёзд при вращении поверхности под ним — и есть отклоняющая сила вращения Земли. Маятник Фуко и отклонение рек, ветров и течений вправо в Северном полушарии — одно и то же явление, показанное с двух сторон: в зале Пантеона и на карте.

Что Земля не идеальный шар, установили не наблюдением, а спором двух теорий, который пришлось разрешать экспедициями.

Исаак Ньютон из своей теории тяготения и вращения вывел: планета должна быть сплюснута у полюсов и раздута у экватора, потому что вращение «растаскивает» вещество в стороны от оси. Французская школа во главе с астрономами Кассини из собственных измерений дуги меридиана получала обратное: Земля вытянута вдоль оси, как лимон.

Решить спор могло только измерение длины одного градуса меридиана в разных широтах: у сплюснутой планеты градус у полюса длиннее, чем у экватора, у вытянутой — наоборот. Парижская академия наук снарядила две экспедиции. Одна под началом Пьера Луи Мопертюи в 1736–1737 годах работала в Лапландии, за Полярным кругом. Вторая под началом Шарля Мари де Ла Кондамина измеряла дугу в экваториальном Перу — с 1735 по 1744 год, в горах, сквозь болезни и войну.

Результат: у полюса градус оказался длиннее. Ньютон был прав, Земля сплюснута.

Почему это до сих пор важно. Сплюснутость невелика: разница экваториального и полярного радиусов около 21 км при радиусе почти 6400 км — меньше трети процента. Но именно из-за неё длина градуса меридиана не постоянна, отсюда и оговорка «примерно 111 км». И именно поэтому фигура Земли в геодезии называется не шаром, а эллипсоидом вращения, а с учётом неровностей поля тяжести — геоидом.

Формулировки линии 26 и части линии 27 почти всегда просят объяснить, а не назвать. Работает жёсткая схема: причина → механизм → наблюдаемое следствие.

Пример разбора. «22 июня в Мурманске Солнце не заходит за горизонт круглые сутки, а в Сингапуре день длится около 12 часов. Объясните почему».

Причина: наклон земной оси на 23,5° и обращение Земли вокруг Солнца. Механизм: 22 июня Северное полушарие наклонено к Солнцу, и вся область севернее 66,5° с. ш. в течение суток не уходит в тень — Солнце описывает круг, не опускаясь за горизонт. Мурманск лежит на 69° с. ш., то есть севернее полярного круга. Следствие: там полярный день. Сингапур лежит почти на экваторе (около 1° с. ш.), а на экваторе день и ночь круглый год примерно равны по 12 часов, потому что экватор делится линией освещённости пополам при любом положении Земли на орбите.

Обрати внимание, что в ответе названы два разных механизма — для каждого пункта свой. Типичная потеря балла — объяснить только про Мурманск и промолчать про Сингапур.

Полезный набор готовых связок для таких ответов: наклон оси → разная длина дня и разный угол падения лучей → времена года и тепловые пояса; осевое вращение → смена дня и ночи, отклоняющая сила, часовые пояса; шарообразность → зональность природы.