Скорость вращения Земли вокруг оси¶

Скорость вращения Земли — это угловая и линейная скорость, с которой планета вращается вокруг собственной оси. Земля совершает полный оборот относительно звёзд примерно за 23 часа 56 минут 4 секунды (звёздные сутки), а относительно Солнца — за 24 часа (солнечные сутки). Это вращение направлено с запада на восток, если смотреть со стороны Северного полюса, то есть против часовой стрелки. Именно оно определяет смену дня и ночи, видимое суточное движение небесных светил, а также ряд геофизических эффектов — от сплюснутости планеты до отклонения движущихся тел силой Кориолиса.

¶Основные величины

Угловая скорость вращения Земли составляет приблизительно 7,292·10⁻⁵ радиана в секунду, что соответствует 360 градусам за звёздные сутки. В более привычных единицах это около 15 угловых градусов в час, или 15 угловых минут в минуту, или 15 угловых секунд в секунду.

Линейная скорость зависит от широты места. На экваторе она максимальна и составляет примерно 465 метров в секунду (около 1674 км/ч). По мере движения к полюсам радиус вращения уменьшается, и линейная скорость падает пропорционально косинусу широты. На широте Москвы (около 55,75°) она равна примерно 260 м/с, на широте Санкт-Петербурга (около 60°) — около 232 м/с, а на полюсах теоретически равна нулю.

¶Звёздные и солнечные сутки

Различие между звёздными и солнечными сутками возникает из-за орбитального движения Земли вокруг Солнца. За время одного оборота вокруг оси планета успевает сместиться по орбите примерно на один градус, поэтому для возвращения Солнца в ту же точку неба требуется дополнительно около 4 минут. Звёздные сутки короче солнечных примерно на 3 минуты 56 секунд. Именно солнечные сутки лежат в основе календаря и гражданского времени.

¶Неравномерность вращения

Скорость вращения Земли не является строго постоянной. Различают несколько типов изменений.

• Вековое замедление. Из-за приливного трения, вызванного главным образом Луной, продолжительность суток медленно увеличивается. По палеонтологическим и астрономическим данным, около 600 миллионов лет назад сутки длились примерно 21–22 часа. Современное увеличение составляет порядка 1,7–2 миллисекунды за столетие.
• Сезонные колебания. Атмосферная циркуляция и перераспределение масс воздуха и воды меняют момент инерции планеты, из-за чего длительность суток колеблется в пределах примерно ±1 миллисекунды в течение года.
• Нерегулярные скачки. Землетрясения, крупные подвижки ледников и океанических течений могут вызывать кратковременные изменения скорости вращения. Например, сильные землетрясения способны слегка ускорять планету за счёт перераспределения массы ближе к оси.

¶Следствия вращения

Вращение Земли порождает целый ряд явлений.

• Смена дня и ночи — прямое следствие осевого вращения при наклонённой оси.
• Сплюснутость планеты. Центробежная сила делает экваториальный радиус примерно на 21 км больше полярного.
• Сила Кориолиса. Во вращающейся системе отсчёта движущиеся тела отклоняются вправо в Северном полушарии и влево в Южном. Это влияет на циркуляцию атмосферы, течения океанов и траектории снарядов.
• Суточная аберрация и параллакс небесных тел, которые учитываются в астрономии.
• Приливы и отливы, связанные с гравитационным взаимодействием Луны и Солнца с вращающейся Землёй.

¶Измерение и эталоны времени

Исторически единица времени — секунда — определялась через вращение Земли: как доля средних солнечных суток. Однако из-за неравномерности вращения от такого определения отказались. С 1967 года секунда определяется через частоту излучения атома цезия-133. Для согласования атомного времени с астрономическим периодически вводятся так называемые секунды координации (leap seconds), компенсирующие накопленное отставание вращения. Наблюдения за вращением ведут службы вращения Земли, в том числе Международная служба вращения Земли и эталонных систем (IERS), публикующая данные о параметрах ориентации планеты. В России соответствующие наблюдения и расчёты выполняют астрономические учреждения, включая Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга.

¶Наклон оси и его роль

Ось вращения наклонена к плоскости орбиты примерно на 23,4°. Именно этот наклон, а не сама скорость вращения, отвечает за смену времён года. Однако сочетание вращения и наклона определяет продолжительность светового дня в разных широтах, полярные день и ночь, а также положение климатических зон. Угол наклона также медленно меняется с периодом около 41 тысячи лет, что относится к циклам Миланковича.

¶Значение для наук о Земле

Данные о скорости вращения используются в геодезии, навигации и космонавтике. Точное знание ориентации Земли необходимо для наведения антенн, запуска космических аппаратов и работы глобальных навигационных систем. Изучение векового замедления помогает уточнять модели приливной эволюции системы Земля — Луна. Кроме того, вариации вращения служат индикатором перераспределения масс внутри планеты, что связывает эту тему с геофизикой и сейсмологией.

Источники: астрономические справочники и учебники по общей астрономии; данные Международной службы вращения Земли и эталонных систем (IERS); материалы Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга; геофизические обзоры по приливной эволюции системы Земля — Луна.