Времена, когда Землю считали плоской и расположенной на спинах слонов, давно канули в лету. Многие ученые и астрономы еще в древности утверждали, что Земля имеет форму шара и крутится вокруг своей оси.
Да и в наши дни этот факт известен каждому едва ли не с самого детства. И если отвечать на вопрос, почему же наша Земля круглая, необходимо будет рассмотреть несколько существенных фактов и факторов, влияющих на форму планеты.
Влияние состава планеты Земля на ее форму
Земля имеет форму шара, как и все остальные космические тела, обладающие большой массой. И это явление непосредственно связано с силой гравитации, которая руководит движением практически всех космических объектов. При этом большей массе космического тела соответствует большая сила притяжения.
Все крупные планеты околоземного пространства (Луна, Солнце и др.) имеют грандиозную массу, что подразумевает и увеличенную силу гравитации. Поверхность нашей планеты подвергается воздействию гравитационной силы, благодаря чему Землей приобретается наблюдаемая нами сферическая форма. Причем та же сила гравитации обеспечивает равную удаленность каждой точки поверхности Земли от ее центра.
Не менее важным является и наличие одного из компонентов, составляющих планету Земля, а именно раскаленной магмы, находящейся под корой и периодически появляющаяся на поверхности Земли в виде . Без этого сила гравитации не имела бы такого воздействия на создание формы нашей планеты – для этого космическое тело должно быть оптимально пластичным, например, газообразным или жидким.
Но тут можно сделать небольшую поправку, уточнив, что на самом деле называть Землю круглой тоже будет не совсем правильно. И этому есть несколько существенных доказательств.
Обоснование почему Земля круглая
Полярный радиус Земли составляет 6357 километров, ее экваториальный радиус – 6378 километра, что составляет разницу в целых 19 километров. Поэтому называть планету абсолютным шаром будет немного неправильно, так как скорей она имеет форму шара, немного приплюснутого у полюсов и растянутого по линии Экватора. Здесь играет роль движение Земли вокруг своей оси и наличие вследствие этого центробежной силы.
Увеличение показателей центробежной силы, уверенно противостоящей силе земного протяжения, зависит от удаленности конкретных точек от полюсов. А благодаря немалой скорости естественного вращения планеты вокруг своей оси, скорость любой точки на земном экваторе можно сравнить со скоростью сверхзвукового самолета.
Также идеально круглой Земля не может быть из-за того что раскаленная магма как разновидность жидкости присутствует лишь под корой земной поверхности, а сама кора является твердым веществом. Если бы поверхность Земли полностью состояла из жидкости, она вполне могла бы иметь точную форму шара.
Но стоит отметить, что и на жидкость, находящуюся на поверхности Земли, имеют воздействие определенные явления – точнее, сила тяготения других небесных объектов. Например, сила тяготения, которой , может создавать отливы и приливы, незначительно искривляя форму жидкой оболочки земного шара.
Солнце, звезды, Земля, Луна, все планеты и их большие спутники «круглые» (шарообразные), потому что они обладают очень большой массой. Их собственная сила тяготения (гравитация) стремится придать им форму шара.
Если некая сила придаст Земле форму чемодана, то по окончании ее действия сила тяготения снова начнет собирать ее в шар, «втягивая» выступающие части, пока вся ее поверхность не установится (т. е. не стабилизируется) на равном расстоянии от центра.
Почему чемодан не принимает форму шара
Чтобы какое-то тело стало шарообразным под действием собственной силы тяготения, эта сила должна быть достаточно большой, а тело - достаточно пластичным. Желательно - жидким или газообразным, поскольку газы и жидкости легче всего обретают форму шара при накоплении большой массы и, как следствие, гравитации. Планеты, кстати, внутри жидкие: под тонким слоем твердой коры у них жидкая магма, которая даже иногда изливается на их поверхность - при извержении вулканов.
Все звезды и планеты имеют шарообразную форму от рождения (образования) и на всем протяжении своего существования - они достаточно массивны и пластичны. Для тел поменьше - например, астероидов - это не так. Во-первых, их масса значительно меньше. Во-вторых, они целиком твердые. Если бы, например, астероид Эрос имел массу Земли, он тоже был бы круглым.
Земля не совсем шар
Во-первых, Земля вращается вокруг своей оси, и с довольно большой скоростью. Любая точка на земном экваторе движется со скоростью сверхзвукового самолета (см. ответ на вопрос «Можно ли обогнать солнце?»). Чем дальше от полюсов, тем больше центробежная сила, противостоящая силе земного притяжения. Поэтому Земля сплюснута с полюсов (или, если угодно, растянута у экватора). Сплюснута, впрочем, совсем немного, примерно на одну трехсотую : экваториальный радиус Земли составляет 6378 км, а полярный - 6357 км, всего на 19 километров меньше.
Во-вторых, поверхность земли неровная, на ней есть горы и впадины. Все-таки земная кора твердая и сохраняет свою форму (точнее, меняет ее очень медленно). Правда, высота даже самых высоких гор (8-9 км) по сравнению с радиусом Земли невелика - немногим больше одной тысячной.
Подробнее о форме и размерах Земли см. (вы узнаете, что такое геоид , эллипсоид вращения и эллипсоид Красовского ).
В-третьих, на землю действует силы тяготения от других небесных тел - например, Солнца и Луны. Правда, их влияние очень невелико. И все-таки сила тяготения Луны способна немного (на несколько метров) искривлять форму жидкой оболочки Земли - Мирового океана, - создавая приливы и отливы.
Задумывались ли вы когда-нибудь почему Земля круглая ? Почему Земля не плоская, как считалось ранее, или, скажем, не квадратная...? Почему именно шар? И, наконец, что придало нашей планете шарообразную форму?
Начать нужно с того, что шар это совсем не редкая форма, даже наоборот, шар - практически самая распространенная форма объектов во Вселенной . Все звезды, планеты, планетарные спутники, крупные астероиды являются круглыми, вернее шарообразными. Повинна в этом одна из фундаментальных сил, действующих во Вселенной - гравитация .
Сила гравитации.
Гравитация очень интересная сила. Она господствует в макромире, управляя движениям планет, звезд и даже целых галактик, но практически полностью отсутствует в микромире, и не оказывает никакого влияния на микрообъекты, к примеру атомы. Объясняется это тем, что сила притяжения (гравитации) напрямую зависит от массы объекта, чем больше масса, тем больше сила, и наоборот.
Именно благодаря силе гравитации все крупные объекты во Вселенной имеют форму шара , поскольку их сила притяжения настолько велика, что как бы втягивает и/или выталкивает отдельные части тела до тех пор пока вся поверхность не установится на одинаковом расстоянии от центра. Причем сила эта постоянна и действует на протяжении всего существования объекта, иными словами, если Земля по каким-то невероятным причинам приобретет любую другую форму отличную от шара, к примеру куба, сила гравитации со временем снова придаст Земле шарообразную форму.
Почему не все объекты круглые?
Если вы внимательно прочитали два предыдущих абзаца, то должны усвоить, что круглыми (шарообразными) становятся только те объекты, которые обладают очень большой массой и соответственно силой тяготения. Но тут есть еще один нюанс. Астрономам известно большое количество огромных астероидов и карликовых планет, которые обладают достаточной массой, но почему-то обладают шарообразной формой. Объяснить это можно довольно просто, астероиды в отличии от звезд и планет состоят полностью из камня и/или металла (звезды и планеты практически полностью состоят из жидкого вещества: расплавленные металлы, газы... , и лишь в редких случаях планеты покрыты тонким твердым веществом). По этой причине силе тяготения гораздо сложнее изменить форму твердого объекта, но даже в этом случае гравитация будет стремиться придать телу круглую форму, только на это уйдет намного больше времени.
Земля не совсем круглая.
Ну это уже ни для не секрет: Земля - это не идеальный шар! Форма Земли больше похожа на немного сплюснутый у полюсов эллипс, в научном мире эту "фигуру" называют геоцид . К тому же отдельные части Земной поверхности возвышаются или вдавлены на фоне общего уровня. Причиной тому так же гравитация, однако уже не Земли, а ее ближайшего соседа - Луны . Луна постоянно вращается вокруг нашей планеты и так же постоянно притягивает к себе земную поверхность, вызывая приливы и отливы на море, и не ровности рельефа на суше.
Мы живём в удивительное время. Большинство небесных тел Солнечной системы исследовано зондами NASA, над Землёй кружат спутники GPS, экипажи МКС стабильно летают на орбиту, а возвращаемые ракеты приземляются на баржи в Атлантическом океане.
Тем не менее до сих пор существует целое сообщество людей, уверенных, что Земля плоская. Читая их утверждения и комментарии, искренне надеешься, что все они просто тролли.
Вот несколько простых доказательств того, что наша планета круглая.
Корабли и горизонт
Если вы побываете в каком-нибудь порту, взгляните на горизонт и понаблюдайте за кораблями. Когда корабль отдаляется, он не просто становится всё меньше и меньше. Он постепенно скрывается за горизонтом: сначала исчезает корпус, затем мачта. И наоборот, приближающиеся корабли не появляются на горизонте (как они должны были бы, если бы мир был плоским), а скорее выходят из-под моря.
Но корабли не выныривают из волн (за исключением «Летучего голландца» из « »). Причина, по которой приближающиеся корабли выглядят так, будто они медленно поднимаются из-за горизонта, состоит в том, что Земля не плоская, а круглая.
Варьирующиеся созвездия
Паранальская обсерватория в ЧилиИз различных широт видно различные созвездия. Это заметил греческий философ Аристотель ещё в 350 году до н. э. Вернувшись из поездки в Египет, Аристотель написал, что «в Египте и <…> на Кипре есть звёзды, которые не видны в северных регионах».
Наиболее яркими примерами являются созвездия Большая Медведица и Южный Крест. Большая Медведица, созвездие из семи звёзд, похожее на ковш, всегда видна в широтах выше 41° северной широты. Ниже 25° южной широты вы не увидите её.
Между тем Южный Крест, небольшое созвездие из пяти звёзд, вы обнаружите, только добравшись до 20° северной широты. И чем южнее вы будете двигаться, тем выше над горизонтом будет Южный Крест.
Если бы мир был плоским, мы могли бы наблюдать одни и те же созвездия из любой точки планеты. Но это не так.
Можете повторить эксперимент Аристотеля, когда отправитесь в путешествие. Обнаружить созвездия на небе вам помогут эти для Android и iOS.
Лунные затмения
Стадии лунного затмения / wikimedia.org
Ещё одно доказательство шарообразности Земли, найденное Аристотелем, - форма земной тени на Луне во время затмения. При затмении Земля оказывается между Луной и Солнцем, закрывая Луну от солнечного света.
Форма тени от Земли, которая падает на Луну во время затмений, совершенно круглая. Именно поэтому Луна становится полумесяцем.
Длина теней
Первым, кто вычислил окружность земли, был греческий математик по имени Эратосфен, который родился в 276 году до н. э. Он сравнил длину теней в день летнего солнцестояния в Сиене (этот египетский город сегодня называется Асуан) и расположенной севернее Александрии.
В полдень, когда солнце было прямо над Сиеной, теней не было. В Александрии палка, установленная на земле, бросала тень. Эратосфен понял, что, если он знает угол тени и расстояние между городами, он может вычислить окружность земного шара.
На плоской Земле не было бы никакой разницы между длиной теней. Положение Солнца везде было бы одинаковым. Только шарообразность планеты объясняет, почему положение Солнца разное в двух городах на расстоянии нескольких сотен километров друг от друга.
Наблюдения с высоты
Ещё одно очевидное доказательство шарообразности Земли: чем выше вы подниметесь, тем дальше вы можете видеть. Если бы Земля была плоской, вы бы имели одинаковый обзор независимо от вашего возвышения. Кривизна Земли ограничивает дальность нашего обзора примерно до пяти километров.
Кругосветные путешествия
Вид из кабины «Конкорда» / manchestereveningnews.co.uk
Первое кругосветное путешествие совершил испанец Фернан Магеллан. Плаванье продлилось три года, с 1519-го по 1522-й. Чтобы обогнуть земной шар, Магеллану потребовалось пять судов (из которых вернулись два) и 260 человек экипажа (из которых вернулись 18). К счастью, в наше время для того, чтобы убедиться, что Земля круглая, достаточно просто купить билет на самолёт.
Если вы когда-нибудь путешествовали самолётом, вы могли заметить кривизну горизонта Земли. Лучше всего её видно в полёте над океанами.
Согласно статьеVisually discerning the curvature of the Earth , опубликованной в журнале Applied Optics, кривая Земли становится видна на высоте около 10 километров при условии, что у наблюдателя есть обзор не менее 60°. Из окна пассажирского авиалайнера обзор всё-таки меньше.
Более отчётливо кривизна горизонта видна, если взлететь выше 15 километров. Лучше всего её заметно на фотографиях с «Конкорда», но, к сожалению, этот сверхзвуковой самолёт уже давно не совершает рейсов. Впрочем, высотная авиация возрождается в пассажирском ракетоплане от Virgin Galactic - Space Ship Two. Так что в ближайшем будущем мы увидим новые фотографии Земли, сделанные в суборбитальном полёте.
Самолёт вполне может облететь земной шар без остановки. Кругосветные путешествия на самолётах выполнялись неоднократно . При этом самолёты не обнаруживали никаких «краёв» Земли.
Наблюдения с метеозонда
Изображение с метеозонда / le.ac.uk
Обычные пассажирские авиалайнеры летают не так уж высоко: на высоте 8–10 километров. Метеозонды поднимаются значительно выше.
В январе 2017 года студенты Университета Лестера привязали несколько камер к воздушному шару и запустили его в небо. Он поднялся на высоту 23,6 километра над поверхностью, значительно выше, чем летают пассажирские авиалайнеры. На снимках, сделанных камерами, отчётливо видно кривую горизонта.
Форма других планет
Фотография Марса / nasa.gov
Наша планета довольно заурядная. Конечно, на ней есть жизнь, но в остальном она не отличается от множества других планет.
Все наши наблюдения показывают, что планеты являются сферическими. Так как у нас нет веских оснований считать иначе, наша планета тоже шарообразная.
Плоская планета (наша или любая другая) была бы невероятным открытием, которое бы противоречило всему, что мы знаем о формировании планет и орбитальной механике.
Часовые пояса
Когда в Москве семь вечера, в Нью-Йорке полдень, а в Пекине полночь. В Австралии в это же время 1:30 ночи. Вы можете , сколько времени в любой точке мира, и убедиться, что везде время суток своё.
Этому есть только одно объяснение: Земля круглая и вращается вокруг своей оси. На той стороне планеты, куда светит Солнце, в данный момент день. Противоположная сторона Земли тёмная, и там ночь. Это вынуждает нас использовать часовые пояса.
Даже если представить, что Солнце - направленный прожектор, который курсирует над плоской Землей, мы бы тогда не имели чёткого дня и ночи. Мы всё равно наблюдали бы Солнце, даже находясь в тени, как можем видеть в театре светящие на сцену прожекторы, находясь при этом в тёмном зале. Единственное объяснение смены времени суток - шарообразность Земли.
Центр тяжести
Известно, что гравитация всегда притягивает всё в сторону центра масс.
Наша Земля сферической формы. Центр масс сферы находится, что логично, в её центре. Гравитация притягивает все объекты на поверхности в направлении ядра Земли (то есть прямо вниз) независимо от их местоположения, что мы всегда и наблюдаем.
Если представить, что Земля плоская, то гравитация должна будет притягивать всё, что на поверхности, к центру плоскости. То есть, если вы окажетесь у края плоской Земли, гравитация будет тянуть вас не вниз, а к центру диска. Вряд ли можно найти на планете место, где вещи падают не вниз, а вбок.
Изображения из космоса
Фотография с МКС / nasa.gov
Первая фотография Земли из космоса сделана в 1946 году. С тех пор мы запустили туда множество спутников, зондов и космонавтов (или астронавтов, или тайконавтов - в зависимости от страны). Некоторые спутники и зонды вернулись, некоторые остаются на орбите Земли или летят через Солнечную систему. И на всех фотографиях и видеозаписях, переданных космическими аппаратами, Земля круглая.
Кривизна Земли отчётливо видна на фотографиях с МКС. Кроме того, вы можете увидеть фотографии Земли, которые делает с периодичностью в 10 минут спутник Японского метеорологического агентства «Химавари-8». Он постоянно находится на геостационарной орбите. Или вот фотографии в реальном времени от спутника DSCOVR, NASA.
Теперь, если вы вдруг окажетесь в обществе сторонников плоской Земли, у вас будет несколько аргументов в споре с ними.
Если Гагарин для вашего чада — не авторитет, а все снимки с МКС, по его мнению — подделка, придётся запастись терпением и доказывать шарообразность Земли, пользуясь минимумом технических стредств — совсем так, как это делали древние греки. Процесс этот будет долгим, зато чрезвычайно поучительным.
1. Доказываем, что Земля — диск или шар
Начнём с того, что определимся с очертаниями родной планеты. Имеет ли она форму чемодана или там, внизу черепаха и слоны? Есть очень простой способ понять, что Земля — это диск или сфера. Для этого достаточно дождаться полноголунного затмения (в Европе ближайшее можно будет наблюдать 27 июля 2018 года, они происходят каждый год. Поезжайте с ребёнком туда, где в этот день точно будет ясное небо, и смотрите, как круглая тень Земли медленно закрывает Луну. Перед этим продемонстрируйте, как форма тени зависит от тени предмета — покажите тенями рук на стене волка или лося. Если тень круглая, значит, и тело, которое её отбрасывает, круглое.
После этого останется только понять, имеет земля форму диска или форму шара.
2. Выбираем между диском и сферой
Чтобы ответить на вопрос о том, плоская Земля или шарообразная, нам понадобится: выбраться за город, мячик и муравей (жук, божья коровка или таракан — на выбор).
Сначала нам нужно найти высокое отдельностоящее на равнинной местности сооружение (например, опору линии электропередач) и пойти от него. Точно так же, как корабль на море, опора будет пропадать из виду не сразу, а постепенно — сначала «ноги», потом средняя часть и, наконец, верхушка с проводами.
Теперь интерпретируем результаты наблюдений. Если бы мы имели дело с высокой башней на плоскости, то она, отдаляясь, становилась бы всё меньше и меньше, но, даже оставаясь едва заметной, была бы видна полностью. На поверхности сферы же объекты пропадают из виду постепенно.
Берём мячик и сажаем на него насекомое. Подносим мячик очень-очень близко к глазам так, чтобы насекомое оказалось наполовину за «горзонтом» — дальним видимым краем мячика. Видна будет только часть тела животного — как видна издалека только часть вышки. Теперь можно с уверенностью заключить, что мы живём на поверхности земного (кроме шуток) шара.
3. Еще раз о шаре
Еще один отличный способ убедиться в том, что земля круглая — выйти на рассвете в поле. Захватите с собой часы и стойте лицом к самому светлому краю неба. Как только краешек Солнца (или Луны — это неважно) покажется за горизонтом, лягте на Землю и засеките время. Смотрите в том же направлении. На несколько секунд светило снова скроется за горизонтом. Почему? Потому что вы изменили угол наблюдения, и на короткое время Солнце (или Луна) оказались скрыты от вас выпуклой поверхностью Земли.
То же самое можно проделать на закате или наблюдая, как садится Луна, но только в обратном порядке: сначала наблюдать лёжа, а потом — стоя.
4. Определяем размеры шара
Впервые длину окружности экватора рассчитал библиотекарь Александрийской библиотеки Эратосфен Киренский. Древний мудрец сравнил отклонение Солнца от зенита в один и тот же день года в двух городах, расположенных на расстоянии 800 километров друг от друга — Александрии и Сиене.
Солнце в зените поймать легко: в этот момент его лучи падают даже на дно глубоких ям (Эратосфен ориентировался на колодцы), а предметы не отбрасывают тени. В один и тот же день Солнце роняло на Александрию отвесные лучи, а в Сиенне — нет. Оно отклонялось от зенита на 7,2°. Семь градусов от 360 — это два процента. Умножаем 800 на 50 и получаем 40 тысяч (километров): такова длина Экватора, это подтверждено и современными высокоточными измерениями.
Повторить эксперимент Эратосфена довольно просто, но придётся заручиться помощью друзей в другом городе. Дождитесь момента, когда Солнце будет в зените (можно дать слабину и посмотреть в интернете, можно ориентироваться по солнечным часам — палке, воткнутой в Землю. Когда тень самая короткая, тогда Солнце ближе всего к зениту). Над средней полосой Солнце никогда не бывает в зените, но это неважно. Важно в тот момент, когда тень от вашей палки дойдёт до своего минимума, позвонить друзьям в город, расположенный от вас довольно далеко — из Москвы, например, в Петербург, и попросить измерить длину тени у них (и высоту палки). Рассчитайте значение острого угла между палкой и воображаемой прямой от конца палки до конца тени у вас и в далёком городе. Дальше — чистая арифметика: должно получиться около 40 тысяч километров.
5. Ещё раз измеряем размеры шара
Возвращаемся к экспериментам с часами и восходами (закатами). Мы не просто так засекали время: зная его и собственный рост, можно решить задачку о радиусе земного шара.
Сначала найдём угол, на который Земля повернулась в промежутке между тем, как вы увидели краешек восходящего Солнца или Луны на рассвете стоя и лёжа. Для этого решите простую пропорцию. Если Земля поворачивается на 360° за 24 часа, то на какой угол она повернулась за время, которое вы засекли? Посчитайте и назовите его углом α.
Представьте, что это не вы падали и вставали. Вместо этого восход наблюдали два человека: Иван 1 и Иван 2, на таком расстоянии друг от друга, что первый увидел Солнце позже другого ровно на то самое время T. Два радиуса R до Ивана 1 и Ивана 2 образуют равнобедренный треугольник с углом α.
Дополните радиус до Ивана 2 отрезком, равным вашему росту h, и соедините его конец с точкой, где стоит Иван 1. Получим прямоугольный треугольник с гипотенузой R+h и известным острым углом. Немного тригонометрии — и мы вычисляем радиус Земли.