Шарообразность и вращение Земли

1. Шарообразность  и вращение Земли

Основоположником учения о том, что Земля – это шар, который свободно, без всякой опоры  располагается в космическом  пространстве, принято считать выдающегося  математика и философа Пифагора, жившего  в VI в. до н. э.

Греческие мореплаватели  заметили, что те звезды, которые  видны в южной части горизонта  у берегов Африки, не видны у  берегов Черного моря. Следовательно, Земля имеет изогнутую поверхность, и положение горизонта в разных ее местах различно. К тому же было замечено, что при приближении к берегу из-за горизонта сначала появляются верхушки высоких предметов (гор, мачт кораблей и т. п.), затем их средние  части, и наконец они становятся видны целиком. Другой выдающийся мыслитель – Аристотель (III в. до н. э.) – сформулировал еще одно доказательство: «Так как лунное затмение происходит от земной тени, то и Земля должна иметь вид шара». Он же предположил, что «объем Земли незначителен в сравнении с небом».

Впервые достаточно точно  определил размеры Земли греческий  ученый Эратосфен (276–194 до н. э.), живший в Египте. Его идея была довольно проста: измерить длину дуги земного меридиана в линейных единицах и определить, какую часть полной окружности эта дуга составляет. Получив эти данные, можно вычислить длину дуги в 1°, а затем длину окружности и величину ее радиуса, т. е. радиуса земного шара (рис. 1).

Для этого Эратосфену нужно  было знать полуденную высоту Солнца в один и тот же день в двух пунктах. Измерив высоту Солнца в  полдень 22 июня в г. Александрии, где он жил, Эратосфен установил, что Солнце отстоит от зенита примерно на 7° (z). От купцов и погонщиков верблюдов, которые водили караваны вдоль Нила, ему было известно, что в этот день в полдень в г. Сиена (ныне Асуан) Солнце освещает дно самых глубоких колодцев, т. е. находится в зените. Следовательно, длина дуги составляет 7,2°, а расстояние между Сиеной и Александрией – около 5000 греческих стадий (800 км).

Обозначив длину окружности земного шара через х, мы получаем выражение:

Откуда следует, что длина  окружности земного шара равняется 250 000 стадий (ок. 50 000 км). Если считать 1 стадий равным 160 м, то результат Эратосфена практически не отличается от современных данных, согласно которым длина окружности Земли составляет 40 000 км.

Для измерения длины 1°  дуги меридиана и уточнения формы  Земли в конце XVIII в. Французская академия наук снарядила сразу две экспедиции. Одна из них работала в Перу, в экваториальных широтах Южной Америки, а другая – вблизи Северного полярного круга на территории Финляндии и Швеции. Оказалось, что длина 1° дуги меридиана на севере больше, чем вблизи экватора. Последующие измерения, проведенные в различных пунктах земного шара, подтвердили, что длина 1° дуги меридиана увеличивается с возрастанием географической широты, т. е. Земля сплюснута у полюсов. Ее экваториальный радиус составляет 6378 км, а полярный на 21 км короче. На школьном глобусе масштаба 1: 50 000 000 эти радиусы отличаются всего на 0,4 мм.

Наиболее точно форму  нашей планеты передает фигура, называемая эллипсоидом, у которого любое сечение  плоскостью, проходящей через центр  Земли, является не окружностью, а эллипсом.

В настоящее время форму  Земли принято характеризовать  следующими величинами:

Эратосфен не только определил размеры Земли, но и ввел в практику использование терминов «широта» и «долгота».

Сетку параллелей и меридианов, по которой отсчитывают широту и  долготу, предложил наносить на рисунках, изображающих Землю, римский географ  Марин Тирский в конце I – начале II в. н. э.

Доказательства вращения Земли. Польский астроном Коперник привел ряд убедительных доводов в пользу предположения, что Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, но не смог этого доказать. Доказать вращение Земли оказалось весьма непросто. На основе опыта с маятником это было сделано лишь в 1851 г. Французский физик Леон Фуко использовал свойство маятника сохранять неизменным направление качания независимо от вращения того основания, на котором он находится. Маятник длиной 67 м, подвешенный под куполом парижского Пантеона, имел период колебания 16 с, а масса груза составляла 22 кг. При каждом новом качании маятника его острие прочерчивало на песке, слоем которого был специально для этого опыта покрыт пол здания, новый след. Происходило это потому, что даже за несколько секунд Земля успевала повернуться на небольшой угол, а плоскость качания маятника оставалась неизменной.

Это явление можно смоделировать  в лабораторных условиях, если небольшой  маятник установить на подставке, которую  можно плавно поворачивать.

Ориентирование  и измерение расстояний на местности

Видимую часть земной поверхности  – круг, в центре которого находится  наблюдатель, называют горизонтом. Линия, по которой небо соприкасается с землей, – это линия горизонта. На открытой местности линия горизонта кажется наблюдателю окружностью, в центре которой он находится, а на закрытой – замкнутой кривой, обходящей видимые препятствия.

Сориентироваться на местности  – это значит найти основные и  промежуточные стороны горизонта: север, запад, северо-запад и т. д.

Известно много способов определения сторон горизонта: по солнцу, Полярной звезде и др. В полдень  солнце находится на юге, поэтому  тень, отбрасываемая предметами, –  полуденная линия и указывает  направление местного меридиана. Если в это время встать спиной к  солнцу, а лицом по направлению  к тени, то впереди будет север, сзади – юг, слева – запад  и т. д.

Определить страны света  можно и по ручным часам с циферблатом (рис. 3). Для этого часы кладут на ладонь так, чтобы часовая стрелка  указывала на то место горизонта, над которым находится солнце. Если угол между часовой стрелкой и направлением на цифру 1 разделить  пополам, то эта биссектриса покажет  направление север – юг.

Рис. 3. Определение сторон горизонта по солнцу и часам

Для того чтобы определить стороны горизонта ночью, надо отыскать на звездном небе Полярную звезду, она  всегда находится на севере (рис. 4). Менее надежно ориентирование по форме крон одиноко стоящих деревьев, годичным кольцам на пнях, расположению муравейников и т. д.

Рис. 4. Определение местоположения Полярной звезды на небосводе

Достаточно надежно можно  ориентироваться в лесу по квартальным  столбам и просекам. Квартальные  просеки всегда проходят в направлении  север – юг, запад – восток.

Быстрее, проще и надежнее всего ориентироваться по компасу. Для этого надо компас положить горизонтально  и совместить северный конец магнитной  стрелки с буквой «С» или цифрой «0» на месте. В этом положении  стрелка компаса покрывает направление  местного меридиана. При этом необходимо проследить, чтобы рядом с компасом не оказалось металлических, железных, стальных или чугунных предметов, иначе  показания могут быть искажены.

С помощью компаса осуществляется передвижение по азимуту на местности (рис. 5).

Рис. 5. Определение азимута по компасу

Азимут – это угол между направлением на север и направлением на заданный объект.

В повседневной жизни человеку иногда приходится не только ориентироваться  на местности, но и определять расстояния между различными точками. Есть много  способов определения расстояний: на глаз, шагами, шаговым циркулем, с  помощью веревки, рулетки, мерной ниткой и т. д.

Для того чтобы определять расстояния на глаз, необходимо постоянно  в этом тренироваться, и все равно  ошибка в определении будет очень  велика. При определении расстояния дальномером (рис. 6) надо знать высоту или длину предмета, расстояние до которого мы хотим узнать. Для этого берут дальномер или обычную линейку и, держа их на вытянутой руке, определяют, сколько делений закрывает предмет. Далее, зная количество делений на линейке, длину руки и высоту предмета, вычисляют расстояние.

 

Рис. 6. Определение расстояния с помощью простейшего дальномера

Чтобы измерить расстояние шагами, надо знать длину шага, которую  определяют так: отмеряют определенное расстояние, обычно 100 м, и несколько  раз его проходят, считая шаги. Затем  вычисляют среднее число шагов.

Нередко, например, при составлении  чертежей местности измеренные расстояния и направления на предметы приходится наносить на лист бумаги. Для этого  расстояние уменьшают с помощью  масштаба. Масштаб показывает, во сколько раз реальное расстояние уменьшено на чертеже.

Различают три вида масштабов: численный, именованный и линейный.

Численный масштаб всегда записывается в виде отношения 1: 100, 1: 10 000, 1: 30 000 и т. д., он показывает, сколько  сантиметров на местности соответствует 1 см на чертеже.

Для большей наглядности  численный масштаб переводят  в именованный, в данном случае это: в 1 см – 1 м, в 1 см – 100 м, в 1 см – 300 м.

Линейный масштаб представляет собой прямую линию, на которую нанесены сантиметровые и миллиметровые  деления. Пользуясь этим масштабом, можно мгновенно измерять расстояние между объектами, нанесенными на план местности (рис. 7).

 

Рис. 7. Численный, именованный и линейный масштабы

Для планов местности характерны следующие признаки: направление  север – юг показано стрелкой, чаще всего это направление совпадает  с обрезом листа (т. е. сверху вниз); масштаб плана везде одинаков; предметы наносят условными знаками; на плане нет координатной сетки.

Глобус и градусная сеть

Глобус – уменьшенная модель земного шара. Он наглядно демонстрирует шарообразность Земли и дает правильное представление о положении на земном шаре полюсов и экватора, меридианов и параллелей, а также морей, материков и океанов, островов и крупных форм рельефа. Изображение Земли на глобусе равно-масштабно – линейные размеры объектов земной поверхности даются на нем с одинаковым уменьшением. Изображение также равноугольно (очертания фигур на глобусе подобны действительным очертаниям на земной поверхности) и равновелико (площади всех объектов, показанных на глобусе, пропорциональны их действительным площадям на земном шаре).

Первым глобусом считают глобус, изготовленный немецким географом  М. Бехаймом в 1492 г. Теперь он хранится в музее в Нюрнберге. В XVII и XVIII вв. глобусами пользовались на судах дальнего плавания, где они заменяли карты.

Наряду с достоинствами у  глобуса имеется существенный недостаток: он изготовляется только в мелком масштабе. Глобус такого масштаба, в  котором обычно составляют стенную  карту России, имел бы диаметр, равный 2,55 м. Пользоваться таким глобусом было бы неудобно.

На глобусе нанесены меридианы  и параллели.

Меридианы – это линии на глобусе и картах, соединяющие полюса. Поэтому каждый меридиан составляет половину окружности земного шара, а все они имеют одинаковую длину. Меридианов можно провести бесчисленное множество. Начальный (нулевой) меридиан проходит через Гринвичскую обсерваторию около Лондона. От него счет ведется на восток и запад до 180°, где проходит граница Западного и Восточного полушарий.

Параллели на глобусе наносятся параллельно экватору.

Экватор – это линия пересечения земной поверхности с плоскостью, проходящей через центр Земли перпендикулярно ее оси и делящей земной шар на два полушария: Северное и Южное.

Параллелей, как и меридианов, можно  провести бесчисленное множество. Параллели, в отличие от меридианов, имеют  разную длину, которая постепенно уменьшается  к полюсам. Так, самая длинная  параллель – экватор – имеет  длину 40075,7 км, параллель 30° – 30056,8 км, параллель 60° – 20037,8 км.

Меридианы и параллели, нанесенные на глобус и карту, составляют градусную  сеть. По ней определяют точное положение  каждого пункта на Земле, для чего вводят понятия «долгота» и «широта».

Под географической долготой понимают угол между плоскостью начального меридиана и плоскостью меридиана данного пункта.

Долготу выражают в градусах от начального меридиана: к востоку от него долгота  восточная, к западу – западная. Поскольку счет ведется от начального меридиана, долгота может быть от 0 до 180°.

Географическая широта точки – это угол между плоскостью экватора и отвесной линией в данном месте.

Она также измеряется в градусах, причем отсчет ведется от экватора к северу и к югу (от 0 до 90°), соответственно широты могут быть северными и  южными. Расстояние от экватора до полюса – это четверть окружности земного  шара (90°), а длина дуги меридиана  в 1° составит 111 км, увеличиваясь от экватора к полюсам (вследствие сплюснутости Земли). Длина дуги параллели в 1° у экватора составляет 110,6 км, а в районе Полярного круга – 111,7 км.

Географические координаты любой точки на Земле можно точно определить, вычислив ее широту и долготу.

Широту в Северном полушарии  можно определить по высоте Полярной звезды. Полярная звезда находится  около полюса мира, не совпадая с  ним на 55 . Таким образом, на Северном полюсе она находится почти вертикально  над головой, т. е. под углом 90°. При  удалении от полюса высота Полярной звезды уменьшается, на экваторе ее уже не видно. Высоту Полярной звезды можно  приблизительно определить при помощи транспортира с отвесом, величина этого  угла соответствует широте местности.

Географическую долготу можно  узнать путем определения разницы  во времени. Как вы уже знаете (см. § 11), полный оборот вокруг оси Земля совершает в течение 24 ч, проходя за это время путь в 360°, т. е. за 1 ч она поворачивается на 15°, а на 1° – за 4 мин. Зная время на нулевом меридиане и местное время, можно определить их разницу, а по этой разнице – долготу. Например, если в 16 ч 30 мин по местному времени на нулевом меридиане 12 ч, разница будет 4 ч 30 мин, это составит 270 мин. Разделим 270: 4 = 67°30. Следовательно, долгота нашего пункта 67°30 .

Географические карты

В повседневной жизни более  удобно пользоваться не глобусом, а  картами.

Географическая  карта – это уменьшенное и обобщенное изображение на плоскости земной поверхности, географические объекты которой переданы условными знаками.

Карты необходимы для изучения земной поверхности, а также природных  и общественных объектов.

Географические карты  классифицируются по содержанию, территориальному охвату, масштабу, назначению.

По территориальному признаку карты делят на: мировые, океанов и морей, материков и их крупных частей, государств, областей, районов.