Если нашу планету через ось вращения и перпендикулярно ей «рассечь» множеством плоскостей, то на поверхности появятся вертикальные и горизонтальные окружности - меридианы и параллели.
Меридианы сойдутся своими концами в двух точках - на Северном и Южном полюсах. Параллели, как и следует из названия, параллельны друг другу. Меридианы служат для измерения долготы, параллели - широты.
Столь простое при поверхностном взгляде действие - «разлиновка» Земли - стало величайшим открытием в исследовании планеты. Оно позволило использовать координаты и точно описывать местоположение любого объекта. Без параллелей и меридианов невозможно представить ни одну карту, ни один глобус. А придумал их… в III веке до нашей эры александрийский учёный Эратосфен.
Справка. Эратосфен обладал энциклопедическими по тем временам знаниями во всех областях. Он заведовал легендарной Александрийской библиотекой, написал труд «Географика» и стал родоначальником географии как науки, составил первую карту мира и покрыл её градусной сеткой из вертикалей и горизонталей - изобрёл систему координат. Он же ввёл для линий названия - параллель и меридиан.
Меридиан
Меридианом в географии называют половину линии сечения земной поверхности, проведённой через и любую точку на поверхности. Все воображаемые меридианы, которых может быть бесконечное количество, соединяются на полюсах - Северном и Южном. Протяжённость каждого из них - 20 004 276 метров.
Хотя меридианов мысленно можно провести как угодно много, для удобства передвижения, составления карт их количество, расположение упорядочили международными договорами. В 1884 году на Международной меридианной конференции в Вашингтоне постановили, что начальным меридианом (нулевым) станет тот, что проходит через Гринвич - округ на юго-востоке Лондона.
Однако не все сразу согласились с таким решением. Например, в России даже после 1884 года вплоть до начала ХХ века нулевым меридианом считали собственный - Пулковский: он «проходит» через Круглый зал Пулковской обсерватории.
Нулевой меридиан
Нулевым меридианом называют точку отсчёта географической долготы. Сам он, соответственно, имеет нулевую долготу. Так было до создания первой в мире спутниковой системы навигации Transit.
С её появлением нулевой меридиан пришлось немного - в 5,3" относительно Гринвичского - сдвинуть. Так появился Международный опорный меридиан, который использует как точку отсчёта долготы Международная служба вращения Земли.
Параллель
Параллелями в географии называют линии воображаемого сечения поверхности планеты плоскостями, которые параллельны экваториальной плоскости. Параллели, изображённые на глобусе, представляют собой окружности, параллельные экватору. С их помощью измеряют географическую широту.
По аналогии с Гринвичским нулевым меридианом есть и нулевая параллель - это экватор, одна из 5 основных параллелей, которая делит Землю на полушария - южное и северное. Другие основные параллели - тропики Северный и Южный, полярные круги - Северный и Южный.
Экватор
Самая длинная параллель - экватор - 40 075 696 м. Скорость вращения нашей планеты на экваторе составляет 465 м/с - это намного больше, чем скорость распространения звука в воздухе - 331 м/с.
Южный и Северный тропики
Южный тропик, который также называют тропиком Козерога, располагается к югу от экватора и представляет собой широту, над которой полдневное солнце стоит в зените в день зимнего солнцестояния.
Северный тропик, он же - тропик Рака, располагается к северу от экватора и, аналогично южному тропику, представляет широту, над которой полдневное солнце стоит в зените в день летнего солнцестояния.
Северный полярный круг и Южный полярный круг
Северный полярный круг - это граница области полярного дня. К северу от него в любом месте хотя бы раз в год солнце видно над горизонтом 24 часа в сутки или столько же не видно.
Южный полярный круг во всём аналогичен Северному, только располагается в южном полушарии.
Градусная сетка
Пересечения меридианов и параллелей образуют градусную сетку. Меридианы и параллели располагают с интервалом 10° – 20 °, более мелкие деления, как и в углах, называют минутами и секундами.
С помощью градусной сетки мы определяем точное расположение географических объектов - их географические координаты, вычисляя по меридианам долготу, а по параллелям - широту.
Сегодня на Земле не осталось ни одного участка, который бы не изучил человек или хотя бы не посетил! Чем больше информации появлялось о поверхности планеты, тем актуальнее вставал вопрос об определении местонахождения того или иного объекта. Меридианы и параллели, которые являются элементами градусной сетки, помогают находить географический адрес искомой точки и облегчают процесс ориентирования по карте.
История картографии
Человечество не сразу пришло к такому простому способу определения координат объекта, как вычисление его долготы и широты. Знакомые всем нам со школы, основные линии постепенно появлялись в источниках картографических знаний. Ниже располагается информация о нескольких ключевых этапах в истории становления таких наук, как география и астрономия, которые привели цивилизацию к созданию современной карты с удобной градусной сеткой.
- Одним из «родоначальников» естественных наук считается - Аристотель, который первым доказал, что наша планета имеет шарообразную форму.
- Древние путешественники Земли были очень наблюдательными, и они заметили, что на небе (по звёздам), легко прослеживается направление С (север) - Ю (юг). Вот эта линия и стала первым «меридианом», аналог которой сегодня можно найти на самой простой карте.
- Эратосфен, который больше известен как «отец науки географии», сделал очень много маленьких и больших открытий, которые повлияли на становление геодезии. Он первым использовал скафис (древние солнечные часы) для вычисления высоты солнца над территорией разных городов и заметил существенную разницу в своих замерах, которые зависели от времени суток и сезона. Эратосфен выявил связь между такими науками, как геодезия и астрономия, тем самым сделав возможным проведение многих исследований и замеров земных территорий при помощи небесных тел.
Градусная сетка
Многочисленные меридианы и параллели, пересекаясь на карте или глобусе, соединяются в географическую сетку, состоящую из «квадратов». Каждая её клетка ограничена линиями, которые имеют свой градус. Таким образом, при помощи этой сетки можно быстро найти искомый объект. Структура многих атласов построена так, что на отдельных страницах рассматриваются разные квадраты, что позволяет системно изучать любую территорию. С развитием географических знаний совершенствовался и глобус. Меридианы и параллели имеются на самых первых моделях, которые пусть и не содержали всей достоверной информации об объектах Земли, но уже давали представление о приблизительном местонахождении искомых точек. Современные карты имеют обязательные элементы, из которых состоит градусная сетка. При помощи нее определяются координаты.
Элементы градусной сетки
- Полюса - Северный (вверху) и Южный (внизу), являются точками, в которых сходятся меридианы. Они являются местами выхода виртуальной линии, которая называется осью.
- Полярные круги. С них начинаются границы заполярных областей. Полярные круги (Южный и Северный) расположены дальше 23 параллелей по направлению к полюсам.
- Он делит поверхность Земли на Восточное и и имеет ещё два названия: Гринвичский и Начальный. Все меридианы имеют одинаковую длину и на поверхности глобуса или карты соединяют полюса.
- Экватор. Он является сориентированной с З (запада) на В (восток), которая разделяет планету на Южное и Северное полушария. Все остальные линии, параллельные экватору, имеют разные размеры - их длина уменьшается к полюсам.
- Тропики. Их тоже два - Козерога (Южный) и Рака находятся на 66-й параллели к югу и северу от экватора.
Как определить меридианы и параллели искомой точки?
Любой объект на нашей планете имеет свою широту и долготу! Даже если он очень-очень маленький или, наоборот, довольно большой! Определять меридианы и параллели объекта и находить координаты точки - одно и то же действие, так как именно градус основных линий определяет географический адрес искомой территории. Ниже предлагается план действий, которым можно воспользоваться при вычислении координат.
Алгоритм адреса объекта на карте
- Уточните правильность географического названия объекта. Досадные ошибки случаются из-за банальной невнимательности, например: ученик ошибся в названии искомой точки и определил не те координаты.
- Приготовьте атлас, острый карандаш или указку и увеличительное стекло. Эти инструменты помогут более точно определить адрес искомого объекта.
- Выберите самую крупномасштабную карту из атласа, на которой нанесена нужная географическая точка. Чем мельче масштаб карты, тем больше погрешностей возникает при вычислениях.
- Определите отношение объекта к основным элементам сетки. Алгоритм данной процедуры, представлен после пункта: «Вычисление размеров территории».
- Если искомая точка не находится непосредственно на обозначенной на карте линии, то найдите ближайшие, которые имеют цифровое обозначение. Градус линий, обычно, указывается по периметру карты, реже - на линии экватора.
- При определении координат важно выяснить, через какое количество градусов расположены параллели и меридианы на карте и правильно вычислить искомые. Необходимо помнить, что элементы градусной сетки, кроме основных линий, можно провести через любую точку поверхности Земли.
Вычисление размеров территории
- Если необходимо вычислить размеры объекта в километрах, то необходимо вспомнить, что длина одного градуса линий сетки равняется - 111 км.
- Для определения протяжённости объекта с W на E (в случае если он полностью располагается в одном из полушарий: Восточном или Западном) достаточно из большего значения широты одной из крайних точек, вычесть меньшее и умножить полученное число на 111 км.
- Если нужно вычислить длину территории с N на S (только в том случае, если она вся расположена в одном из полушарий: Южном или Северном), то необходимо от большего градуса долготы одной из крайних точек, вычесть меньший, затем умножить полученную сумму на 111 км.
- Если по территории объекта проходит Гринвичский меридиан, то для вычисления его длины с W на E градусы широт крайних точек данного направления складываются, затем их сумма умножается на 111 км.
- Если на территории определяемого объекта находится экватор, то для определения её протяжённости с N на S необходимо сложить градусы долготы крайних точек этого направления, а полученную сумму умножить на 111 км.
Как определять отношение объекта к основным элементам градусной сетки?
- Если объект находится ниже экватора, то его широта будет только южной, если выше - северной.
- Если искомая точка расположена правее начального меридиана, то её долгота будет восточной, если левее - западной.
- Если объект находится выше 66-го градуса северной или южной параллели, то он входит в соответствующую полярную область.
Определение координат гор
Так как многие горные системы имеют большую протяжённость в разных направлениях, а меридианы и параллели, пересекающие такие объекты, имеют различные градусные величины, то процесс определения их географического адреса сопровождается многими вопросами. Ниже предлагаются варианты вычисления координат высоких территорий Евразии.
Кавказ
Самые живописные горы расположены между двумя водными акваториями материка: от моря Чёрного до Каспия. Меридианы и параллели имеют разные градусы, так какие же считать определяющими для адреса данной системы? В данном случае ориентируемся на самую высшую точку. То есть координаты горной системы Кавказ - это географический адрес пика Эльбрус, который равен - 42 градусам 30 минутам северной широты и 45 градусам восточной долготы.
Гималаи
Самая высокая система гор на нашем материке - Гималаи. Меридианы и параллели, имеющие различную градусную величину, пересекают этот объект так же часто, как и вышеназванный. Как правильно определить координаты этой системы? Поступаем так же, как и в случае с Уральскими горами, ориентируемся на высшую точку системы. Таким образом, координаты Гималаев совпадают с адресом пика Джомолунгма, и это - 29 градусов 49 минут северной широты и 83 градуса 23 минуты и 31 секунда восточной долготы.
Уральские горы
Самые протяжённые на нашем материке - Уральские горы. Меридианы и параллели, имеющие различные градусные величины, пересекают данный объект в различных направлениях. Для определения координат Уральских гор необходимо найти их центр на карте. Эта точка и будет являться географическим адресом данного объекта - 60 градусов северной широты и столько же восточной долготы. Подобный способ определения координат гор является приемлемым для систем, имеющих большую протяжённость в одном из направлений или в обоих.
Практически все вы обращали внимание на "таинственные линии" на картах и глобусах, представляющих широту (параллели) и долготу (меридианы)
. Они формируют сетчатую систему координат, с помощью которой любое место на Земле может быть точно определено - и нет в этом ничего таинственного или сложного. Параллели и меридианы - это воображаемые линии на поверхности Земли, а широта и долгота - это их координаты, определяющие положение точек на поверхности Земли. Любая точка на Земле - это пересечение параллели и меридиана с координатами широты и долготы. Наиболее наглядно это можно изучить с помощью глобуса, где эти линии обозначены.
Но сначала всё по порядку. Два места на Земле определяются её вращением вокруг собственной оси - это Северный и Южный полюса
. На глобусах осью является стержень. Северный полюс находится в Северного Ледовитого океана, который покрыт морским льдом, и исследователи в былые времена достигли этого полюса на санях с собаками (официально считается, что Северный полюс открыл в 1909 году американец Роберт Пери). Однако, так как лёд медленно перемещается, Северный полюс является не фактическим, а скорее математический объектом. У Южного полюса, с другой стороны планеты, есть постоянное физическое местоположение на континенте Антарктида, который был также открыт сухопутными исследователями (норвежская экспедиция под руководством Руаля Амундсена в 1911 году).
На полпути между полюсами на "талии" Земли расположена большая линия окружности, которая на глобусе представлена в виде шва: место соединения северного и южного полушарий; эта линия окружности называется - экватор
. Экватор является линией широты с нулевым значением (0°). Параллельно экватору выше и ниже него расположены другие линии окружности - это другие широты Земли. Каждая широта имеет цифровое значение, и шкала этих значений измеряется не в километрах, а в градусах к северу и к югу от экватора до полюсов.
Полюса имеют значения: Северный +90°, а Южный -90°. Широты расположенные выше экватора называют северными широтами
, а ниже экватора - южными широтами
. Линии с градусными значениями широты называют параллелями
, так как они идут параллельно Экватору и параллельны между собой. Если параллели измерить в километрах, то длины разных параллелей будут различны - они увеличиваются при приближении к экватору и уменьшаются к полюсам. Все точки одной параллели имеют одну широту, но различную долготу (описание долготы чуть ниже). Расстояние между двумя параллелями, которые отличаются на 1° равно 111,11 км. На глобусе, а также на многих картах, расстояние (интервал) от широты до другой широты обычно равно 15° (это, примерно 1 666 км). На рисунке №1 интервал равен 10° (это, примерно 1 111 км). Экватор - это самая длинная параллель, её длина - 40 075,7 км.
В IV в. до н. э. величайший мыслитель древности Аристотель доказал, что наша планета имеет форму, очень близкую к форме шара.
Примерно в то же время, наблюдая во время путешествий в различных местах видимое движение звезд и Солнца, древние ученые установили для ориентировки на земной поверхности определенные условные линии.
Отправимся в мысленное путешествие по поверхности Земли. Положение над горизонтом воображаемой оси мира, вокруг которой происходит суточное вращение небесного свода, будет для нас все время меняться. В соответствии с этим будет меняться и картина движения звездного неба.
Поехав на север, мы увидим, что звезды в южной части неба поднимаются каждую ночь на меньшую высоту. А звезды в северной части - в нижней кульминации - имеют большую высоту. Двигаясь достаточно долго, мы попадем на Северный полюс. Здесь вообще ни одна звезда не поднимается и не опускается. Нам будет казаться, что все небо медленно кружится параллельно горизонту.
Древние путешественники не знали, что видимое движение звезд является отражением вращения Земли. И они не бывали на полюсе. Но им необходимо было иметь ориентир на земной поверхности. И они выбрали для этой цели легко определяемую по звездам линию север - юг. Эта линия получила название меридиана.
Меридианы можно проводить через любые точки на поверхности Земли. Множество меридианов образует систему воображаемых линий, соединяющих Северный и Южный полюсы Земли, которые удобно использовать для определения местоположения.
Примем один из меридианов на начальный. Положение любого другого меридиана в этом случае будет известно, если указано направление отсчета и задан двугранный угол между искомым меридианом и начальным.
В настоящее время по международному соглашению условились считать начальным тот меридиан, который проходит через одну из старейших в мире астрономических обсерваторий - Гринвичскую обсерваторию, расположенную на окраине Лондона. Угол, образованный каким-либо меридианом с начальным, называют долготой. Долгота, например, меридиана Москвы 37° к востоку от Гринвича.
Чтобы отличить друг от друга точки, лежащие на одном и том же меридиане, пришлось ввести вторую географическую координату - широту. Широтой называют угол, который проведенная в данном месте поверхности Земли отвесная линия образует с плоскостью экватора.
Термины долгота и широта дошли до нас от древних мореходов, которые описывали длину и ширину Средиземного моря. Та координата, которая соответствовала измерениям длины Средиземного моря, стала долготой, а та, которая соответствовала ширине, стала современной широтой.
Нахождение широты, как и определение направления меридиана, тесно связано с движением звезд. Уже древние астрономы доказали, что высота полюса мира над горизонтом в точности равна широте места.
Предположим, что Земля имеет форму правильного шара, и рассечем ее по одному из меридианов, как на рисунке. Пусть на Северном полюсе стоит человек, изображенный на рисунке в виде светлой фигуры. Для него направление вверх, т. е. направление отвесной линии, совпадает с осью мира. Полюс мира находится у него прямо над головой. Высота полюса мира равна здесь 90 .
Так как видимое вращение звезд вокруг оси мира является отражением реального вращения Земли, то в любой точке Земли, как мы уже знаем, направление оси мира остается параллельным направлению оси вращения Земли. Направление же отвесной линии при переходе из точки в точку меняется.
Возьмем, например, другого человека (на рисунке - темная фигура). Направление оси мира у него осталось таким же, как и у первого. А направление отвесной линии изменилось. Поэтому высота полюса мира над горизонтом здесь не 90°, а значительно меньше.
Из простых геометрических соображений ясно, что высота полюса мира над горизонтом (на рисунке угол ft) действительно равна широте (угол ф).
Линия, соединяющая точки с одинаковыми широтами, получила название параллели.
Меридианы и параллели образуют так называемую систему географических координат. Каждая точка на земной поверхности имеет вполне определенную долготу и широту. И наоборот, если известна широта и долгота, то можно построить одну параллель и один меридиан, в пересечении которых получится одна единственная точка.
Понимание особенностей суточного движения звезд и введение системы географических координат позволили осуществить первое определение радиуса Земли. Оно было выполнено во второй половине III в. до н. э. известным математиком и географом Эратосфеном.
Принцип этого определения заключается в следующем. Пусть удалось измерить разность широт двух точек, лежащих на одном меридиане (см. рис.). Тем самым нам стал известен угол Дф с вершиной в центре Земли, который соответствует дуге меридиана L на поверхности Земли. Если теперь удастся измерить также и дугу L, то мы получим сектор с известной длиной дуги и соответствующим ей центральным углом. На рисунке этот сектор показан отдельно. Путем несложных вычислений можно получить величину радиуса этого сектора, который и является радиусом Земли.
Эратосфен, грек по национальности, жил в богатом египетском городе Александрии. К югу от Александрии находился другой город - Сиена, который в наши дни называется Асуаном и где, как известно, с помощью Советского Союза сооружена знаменитая высотная плотина. Эратосфен знал, что Сиена обладает интересной особенностью. В полдень одного из июньских дней Солнце над Сиеной бывает настолько высоко, что его отражение видно на дне даже очень глубоких колодцев. Отсюда Эратосфен заключил, что высота Солнца в Сиене в этот день равна точно 90°. Кроме того, раз Сиена лежит строго к югу от Александрии, то они находятся на одном меридиане.
Для необычного измерения Эратосфен решил воспользоваться скафисом - чашеобразными солнечными часами со штырьком и делениями внутри них. Установленные вертикально, эти солнечные часы по тени от штырька дают возможность измерить высоту Солнца над горизонтом. И в полдень того самого дня, когда Солнце над Сиеной поднялось настолько высоко, что все предметы перестали отбрасывать тени. Эратосфен измерил его высоту на городской площади Александрии. Высота Солнца в Александрии, по измерениям Эратосфена, оказалась равной 82° 48". Стало быть, разность широт Александрии и Сиены составляет 90° 00" - 82° 48" = 7° 12".
Оставалось измерить расстояние между ними. Но как это сделать? Как измерить на поверхности Земли расстояние, равное в современных единицах примерно 800 км?
Трудности подобного предприятия были тогда буквально неисчислимы.
Действительно, как изготовить такую гигантскую линейку, с помощью которой можно было бы произвести измерения? Как сделать, чтобы на протяжении 800 км эта линейка укладывалась строго по меридиану, без всяких перекосов?
Необходимые данные о расстоянии между городами пришлось взять из рассказов купцов, водивших торговые караваны из Александрии в Сиену. Купцы говорили, что расстояние между ними составляет примерно 5000 греческих стадиев. Эратосфен принял это значение за истинное и, использовав его, вычислил величину радиуса Земли.
Если сравнить полученную Эратосфеном величину с современными данными, то получится, что он ошибся относительно немного - всего только на 100 км.
Так, с III в. до н. э., со времени Эратосфена, переплелись пути астрономии и геодезии - другой древней науки, изучающей форму и размеры как всей Земли в целом, так и отдельных ее частей.
Методы астрономических определений широт развивались и совершенствовались. Это было особенно важно, в частности, именно в связи с необходимостью более тщательного определения размера Земли. Ибо, начиная с того же Эратосфена, было уяснено, что задача определения размера Земли распадается на две части: астрономическую, т. е. определение разности широт, и геодезическую, т. е. определение длины дуги меридиана. Эратосфен сумел решить астрономическую часть задачи, и принципиально тем же путем шли многочисленные его последователи.
Мы еще будем иметь случай рассказать о более точных измерениях размера Земли, а пока, освоившись с определением широт, займемся делом значительно более сложным - определением географических долгот.
Точки пересечения земной оси с поверхностью земного шара называются полюсами (Северный и Южный). Вокруг этой оси Земля за 24 часа совершает один оборот.
На одинаковом расстоянии от полюсов проведена окружность, которая называется экватором.
Параллель - линии, условно проведенные по поверхности Земли параллельно экватору. Параллели на карте и глобусе направлены на запад и восток. Они не равны между собой по длине. Самая длинная параллель - экватор. Экватор – воображаемая линия на земной поверхности, полученная при мысленном рассечении эллипсоида на две равные части (Северное и Южное полушарие). При таком рассечении все точки экватора оказываются равноудаленными от полюсов. Плоскость экватора перпендикулярна оси вращения Земли и проходит через ее центр. Всего на Земле 180 меридианов, 90 из них к северу от экватора, 90 - к югу.
Параллели 23,5° северной и южной широты называются тропическими кругами или просто тропиками. На каждом из них один раз в год полуденное Солнце бывает в зените, т. е. солнечные лучи падают отвесно.
Параллели 66,5° северной и южной широты называют полярными кругами.
Через Северный и Южный полюсы проведены окружности, меридианы - кратчайшие линии, условно проведенные на поверхности Земли от одного полюса к другому.
Начальный или нулевой меридиан проведен по Гринвичской обсерватории (Лондон, Великобритания). Все меридианы имеют одинаковую длину и форму полуокружностей. Всего на Земле 360 меридианов, 180 к западу от нулевого, 180 - к востоку. Меридианы на карте и глобусе направлены с севера на юг.
Для точного определения местоположения любого объекта на поверхности земли одной линии экватора недостаточно. Поэтому полушария мысленно разделены еще множеством плоскостей, параллельных плоскости экватора – это параллели. Все они, как и плоскость экватора, перпендикулярны оси вращения планеты. Параллелей можно провести сколько угодно, но обычно их проводят с интервалом 10-20°. Параллели всегда ориентированы с запада на восток. Длина окружности параллелей уменьшается от экватора к полюсам. На экваторе она самая большая, а на полюсах равна нулю:
Длина дуг параллелей
|
Параллели |
Длина 1° в км |
При пересечении земного шара воображаемыми плоскостями, проходящими через ось Земли перпендикулярно плоскости экватора, образуются большие окружности – меридианы . В переводе на русский язык слово «меридиан» означает «полуденная линия». Действительно, их направление совпадает с направлением тени от предметов в полдень. Если идти все время по направлению этой тени, то обязательно придешь к Северному полюсу. Меридианы – кратчайшая линия, условно проведенная от одного полюса к другому. Все меридианы представляют собой полуокружности. Их можно провести через любые точки на поверхности Земли. Все они пересекаются в точках полюсов. Меридианы ориентированы с севера на юг. Средняя длина дуги 1° меридиана рассчитывается так:
40 008,5 км: 360° = 111 км
Длина всех меридианов одинакова. Направление местного меридиана в любой точке можно определить в полдень по тени от любого предмета. В Северном полушарии конец тени всегда показывает направление на север, в Южном – на юг.
Изображение линий меридианов и параллелей на глобусе и географических картах называют градусной сеткой.
Географическая широта - это расстояние какой-либо точки земной поверхности к северу или югу от экватора, выраженное в градусах. Широта бывает северной (если точка расположена к северу от экватора) и южной (если к югу от него).
Географическая долгота - это расстояние какой-либо точки земной поверхности от начального меридиана, выраженная в градусах. К востоку от нулевого меридиана будет восточная долгота (сокращенно: в. д.), к западу - западная (з. д.).
Географические координаты - географическая широта и географическая долгота заданного объекта.