Реферат: Форма, размеры и движения Земли и их геофизические следствия. Гравитационное поле Земли
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Тема: « Форма , размеры и движения Земли и их
геофизические следствия. Гравитационное поле Земли. Основные характеристики, их
изменения по широте, глубине и высоте над поверхностью Земли. Гравитационные
аномалии. »
Выполнил: студент
заочного отделения 1 курса
специальность
метеорология Бондарчук А.В.
План
·
Третья планета в
галактике.
·
Орбитальные
характеристики планет.
·
Внутренне
строение Земли.
·
Земная кора и
её строение.
·
Газовая оболочка
Земли.
·
Закон всемирного
тяготения.
·
Форма Земли и
гравитация.
·
Аномалии силы
тяжести.
·
Система Земля –
Луна.
·
Физические
основы гравитационных аномалий.
·
Первая в мире
гравикарта.
·
Список использованной
литературы.
Третья планета
в галактике.
Солнечная система включает
девять крупных планет, которые со своими 57 спутниками обращаются вокруг
массивной звезды по эллиптическим орбитам (рис. 1). По своим размерам и массе планеты можно разделить
на две группы – планеты земной группы, расположенные ближе к Солнцу, – Меркурий,
Венера, Земля и Марс и планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун,
находящиеся на значительно более удаленных орбитах от центральной звезды.
Последняя из известных планет Плутон своей орбитой с радиусом около 6 млрд. км очерчивает
границы Солнечной системы. Плутон не относится к планетам-гигантам, его масса
почти в десять раз меньше массы Земли. Аномальные характеристики этой крошечной
планеты позволяют рассматривать ее как бывший спутник Нептуна.
Кроме больших планет между орбитами
Марса и Юпитера вращается более 2300 малых планет – астероидов, множество более
мелких тел – метеоритов и метеорной пыли, а также несколько десятков тысяч
комет, двигающихся по сильно вытянутым орбитам, некоторые из которых далеко
выходят за границы Солнечной системы.
Рис. 1. Солнечная система
Все планеты и астероиды обращаются
вокруг Солнца в направлении движения Земли – с запада на восток. Это так
называемое прямое движение. Основные закономерности движения планет полностью
определяются законами Кеплера. Рассмотрим эти законы и охарактеризуем основные
элементы эллиптических орбит. Согласно первому закону, все планеты обращаются
вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится
Солнце. На рис. 2 показаны элементы планетных орбит с Солнцем (С) в фокусе.
Линия АП называется линией апсид, крайние точки которой афелий (А) и перигелий
(П) характеризуют наибольшее и наименьшее удаление от Солнца.Расстояние планет(
Р ) на орбите от Солнца (гелиоцентрическое расстояние) определяется
радиусом-вектором r = СР. Отношение полуфокального расстояния (с) к большой полуоси (а)
называется эксцентриситетом орбиты: .
Если обозначить через q перигельное
расстояние, а через Q афелийное расстояние, то
их значения легко определить из выражений: ;
.
Тогда,
определив большую полуось (а), мы найдем среднее годичное расстояние
планеты до Солнца:
Рис.3.Площади, описываемые
радиус-вектором планеты
|
.
Cреднее гелиоцентрическое
расстояние Земли от Солнца равно 149,6 млн. км. Эта величина называется астрономической
единицей и принимается за единицу измерений расстояний в пределах Солнечной
системы.
Согласно второму закону
Кеплера радиус-вектор планеты описывает площади, прямо пропорциональные промежуткам
времени. Если обозначить через S1 площадь перигелийного
сектора (рис. 3), а через S2
– площадь афелийного сектора, то их отношение будет
пропорционально временам Dt1 и Dt2, за которые планета прошла соответствующие
отрезки дуг орбиты: .
Отсюда следует, что секториальная
скорость :
величина постоянная.
Время, в
течение которого планета сделает полный оборот по орбите, называется звездным,
или сидерическим периодом Т (рис. 3). За полный оборот радиус-вектор планеты
опишет площадь эллипса:
.
Поэтому секториальная
скорость :
оказывается наибольшей в перигелии, а
наименьшей – в афелии. Используя второй
закон, можно вычислить эксцентриситет земной орбиты по наибольшему и
наименьшему суточному смещению Солнца по эклиптике, отражающему движение Земли .
Земля в перигелии пребывает в начале января (hmax = 61'), а в афелии в
начале июля (hmax = 57'). По второму закону Кеплера скорость Земли в афелии и перигелии определяется
из выражений: ; .
Таким
образом, орбита Земли лишь ненамного отличается от окружности.
Найденные
из наблюдательной астрономии законы Кеплера показали, что Солнечная система представляет
собой механическую систему с центром, находящимся в солнечной массе.
Законы
Кеплера послужили Ньютону основой для вывода своего знаменитого закона
всемирного тяготения, который он сформулировал так: каждые две материальные
частицы взаимно притягиваются с силой, пропорциональной их массам и обратно
пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Математическая
формулировка этого закона имеет вид: ,
где M и m –
взаимодействующие массы, r – расстояние между ними;
G – гравитационная постоянная. В системе СИ G = 6,672·10-11 м3·кг-1·с-2.
Физический смысл гравитационной постоянной заключается в следующем: она
характеризует силу притяжения двух масс весом в 1 кг каждая на расстоянии в 1
м. Величина G впервые была определена в 1798 г. английским физиком
Кавендишем с помощью крутильных весов.
Закон Ньютона решил задачу о характере действия силы,
управляющей движением планет. Это сила тяготения, создаваемая центральной
массой Солнца. Именно эта сила не дает планетам разлететься, а сохраняет их в
связной системе последовательных орбит, по которым как на привязи сотни
миллионов лет кружатся большие и малые планеты.
Воспользуемся законом тяготения и определим массу
Земли, полагая, что взаимодействуют две массы – Земли (М) и
некоторого тела, лежащего на ее поверхности. Сила притяжения этого тела
определяется законом Ньютона: .
Но одновременно из второго закона механики эта же сила
равна произведению массы на ускорение:
,
где g – ускорение силы тяжести;
R – радиус Земли.Приравнивая правые части выражений: ,
найдем выражение для
определения массы Земли:
Подставив известные значения G = 6,672·10-11 м3·кг-1·с-2,
g = 9,81 м/с2, R = 6,371·106 м, в итоге получим MЗ
= 5,97·1024
кг, или в граммах: M3 = 5,97·1027 г. Такова масса Земли.
В
настоящее время для более точного определения массы и фигуры планет и их
спутников используются параметры орбиты искусственных спутников, запускаемых с
Земли.
Орбитальные
характеристики планет.
Физические условия на поверхности
каждой из девяти планет всецело определяются их положением на орбите
относительно Солнца. Ближайшие к светилу четыре планеты – Меркурий, Венера,
Земля и Марс – имеют сравнительно небольшие массы, заметное сходство в составе
слагающего их вещества и получают большое количество солнечного тепла, ощутимо
влияющего на температуру поверхности планет. Две из них – Венера и Земля –
имеют плотную атмосферу, Меркурий и Марс атмосферы практически не имеют.
Планеты-гиганты Юпитер,
Сатурн, Уран и Нептун значительно удалены от Солнца, имеют гигантские массы и
плотную мощную атмосферу. Все они отличаются высокой осевой скоростью вращения.
Солнечное тепло почти не достигает этих планет. На Юпитере оно составляет 0,018·103 Вт/м2, на
Нептуне – 0,008·103 Вт/м2.
Большая часть массы
вещества Солнечной системы сосредоточена в самом Солнце – более 99%. На долю
планет приходится менее 1% общей массы. Остальное вещество рассеяно в астероидах,
кометах, метеоритах, метеорной и космической пыли.
Все планеты имеют
сравнительно небольшие размеры и в сравнении с расстояниями между ними их можно
представлять в виде материальной точки. Из курса физики известно, что
произведение массы тела на его скорость называется импульсом: ,
а произведение радиуса-вектора на
импульс – моментом импульса: .
Из приведенного выражения
видно, что скорость V движения планеты по эллиптической орбите меняется
вместе с изменением радиуса-вектора r. При этом на основании второго
закона Кеплера имеет место сохранение моментов импульса: .
Видно, что при увеличении r1
скорость V1 должна уменьшаться, и наоборот (масса т
планеты неизменна). Если выразить линейную скорость V через угловую
скорость w : ,
то выражение для момента импульса
планеты примет вид: .
Из последней формулы
следует, что при сжатии вращающихся систем, т. е. при уменьшении r и постоянстве
т, угловая скорость вращения w неизбежно возрастает.
В
таблице приведены орбитальные параметры планет. Хорошо видно, как по мере
возрастания радиуса орбиты (гелиоцентрического расстояния) уменьшается период
обращения и, следовательно, скорость движения планет.
Орбитальные параметры планет
Солнечной системы.
Планета |
Радиус
орбиты, 109м
|
Масса,
1027 г
|
Плот-ность,
г/см3
|
Экваториаль-
ный радиус, 106 м
|
Период
вращения, земные сут или ч
|
Наклон экватора к орбите, градусы |
Период
обращения земные сут
|
Меркурий |
57,9 |
0,330 |
5,43 |
2,439 |
58,65 сут |
2 ±
3 |
87,96935 |
Венера |
108,2 |
4,870 |
5,25 |
6,051 |
243,022
(±
006) сут
|
177,3 |
224,7 |
Земля |
149,6 |
5,976 |
5,52 |
6,378 |
23,9345 ч |
23,45 |
365,26 |
Марс |
227,9 |
0,642 |
3,95 |
3,393 |
24,6299 ч |
23,98 |
686,98 |
Юпитер |
778,3 |
1900 |
6,84 |
71.398 |
9,841 ч |
3,12 |
4333 |
Сатурн |
1427,0 |
568,8 |
5,85 |
60,33 |
10,233 ч |
26,73 |
10759 |
Уран |
2869,6 |
86,87 |
5,55 |
26,20 |
17,24 ч |
97,86 |
30685 |
Нептун |
4496,6 |
102,0 |
5,60 |
25,23 |
(18,2 ± 0,4) ч |
(29,56) |
60189 |
Плутон |
5900,1 |
(0,013) |
(0,9) |
(1,5) |
6,387 сут |
(118,5) |
90465 |
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|