Прецесія та нутація

Кут нахилу земної осі відносно постійний протягом тривалого часу. Однак, цей нахил зазнає незначних зсувів (відомих як нутація) з періодичністю 18,6 років (пов’язаних із періодом повного циклу руху вузлів місячної орбіти – точок перетину площини екліптики з площиною місячної орбіти). Також існують довгоперіодичні нутації (близько 41 000 років), відомі як цикли Миланковича. Орієнтація осі Землі з часом теж змінюється з періодом у 25,8 тис. років; ця явище носить назву прецесії, є причиною розходження тривалості зоряного (сидеричного) року і тропічного року. Цей рух викликаний тяжінням, що діє з боку Сонця на екваторіальну опуклість Землі. Полюси Землі переміщаються щодо її поверхні на кілька метрів. Такий рух полюсів має різноманітні, циклічні складові, які разом називаються квазіпериодичним рухом. На додаток існує 14-місячний цикл, іменований чандлеровським рухом полюсів Землі.

Прецесія осі Землі: опис і цікаві факти

У людства за плечима майже чотири мільйони років, і за цей час ми досягли розуміння руху тектонічних плит, навчилися передбачати погоду і освоїли космічний простір. Але наша планета таїть в собі ще чимало таємниць і загадок. Одна з них, з якою пов’язують глобальне потепління клімату і теорію катастроф, це прецесія осі планети.

• Історичний нарис
• Фізика явища
• Рух нашої нерухомої планети
• Це юла?
• Як це побачити?
• Наслідки прецесій Сонця і комплексу Земля-Місяць
• Вічної весни не буде
• Коли настане новий Льодовиковий період
• Не тільки прецесія винна
• Чому зими неоднакові

Історичний нарис

Рух точок рівнодення на тлі зірок помітив у III столітті до нашої ери Аристарх Самоський. Але першим описав збільшення довготи зірок і відмінності між зоряним і фактичним роком давньогрецький астроном Гіппарх у II столітті до нашої ери. І це при тому, що в той період вважали, що всі зірки закріплені на нерухомій сфері, а рух небосводу – це рух цієї сфери навколо власної осі. Після роботи Птолемея, Теона Александрійського, Сабіт ібн Курра, Миколи Коперника, Тихо Браге і багатьох інших. Причину прецесії осі Землі пояснив і описав Ісаак Ньютон у своїх «Засадах» (1686). А формулу прецесії показав американський астроном Саймон Ньюком (1896). Саме його формула, уточнена в 1976 році Міжнародним астрономічним союзом, описує швидкість прецесії залежно з тимчасовою прив’язкою.

Фізика явища

В елементарній фізиці прецесія – це зміна моменту імпульсу тіла при зміні його напрямку руху в просторі. Спостерігають цей процес на прикладі вовчка і його уповільнення. Спочатку вертикальна вісь вовчка при його уповільненні починає описувати конус – це і є прецесія осі вовчка. Головна фізична властивість прецесії – безінерційність. Це означає, що при припиненні дії сили, що викликає прецесію, тіло займе нерухоме положення. Стосовно небесних тіл – такою силою є гравітація. І оскільки вона діє постійно, то і рух, і прецесування планет не припиниться ніколи.

Рух нашої нерухомої планети

Кожному відомо, що планета Земля обертається навколо Сонця, здійснює обертання по своїй осі і змінює напрямок цієї осі. Але це не все. Астрономія розрізняє тринадцять видів руху нашого дому. Перерахуємо їх коротко:

• Обертання навколо власної осі (зміна дня і ночі).
• Обертання навколо Сонця (зміна часів року).
• «Ходіння вперед» або передування рівнодень – це прецесія.
• Погойдування земної осі – нутація.
• Зміна осі Землі до площини її орбіти (нахилу екліптики).
• Зміна еліпса земної орбіти (ексцентриситету).
• Зміни перигелія (відстань від найвіддаленішої від сонця точки орбіти).
• Паралактичні нерівності Сонця (щомісячні зміни відстані між нашою планетою і світилом).
• У момент параду планет (планети розташовані з одного боку від Сонця) центр мас нашої системи виходить за межі сонячної кулі.
• Відхилення Землі (обурення і пертурбації) під дією тяжіння інших планет.
• Поступальний рух усієї Сонячної системи до Веги.
• Рух системи навколо ядра Чумацького шляху.
• Рух галактики Чумацький шлях навколо центру скупчення таких же галактик.

Все це складно, але математично доведено. Ми зупинимося на третьому русі нашої планети – прецесії.

Це юла?

Ми звикли думати, що вісь обертання планети навколо своєї осі незмінна і північний її кінець спрямований до точки полярної зірки. Але все не зовсім так. Вісь планети описує конус, також як дитяча іграшка юла або вовчок, що викликано тяжінням нашого супутника і нашого світила. В результаті полюси планети повільно переміщуються по відношенню до зірок з радіусом дуги в 23 градуси і 26 хвилин.

Як це побачити?

Нахил земної осі здійснюється внаслідок взаємодій в системі гравітації Сонце-Земля і Місяць-інші планети. Зусилля гравітації такі великі, що змушують вісь планети здійснювати прецесію – повільне погойдування по ходу годинникової стрілки в протилежному обертанню планети напрямку. Побачити явище місячно-сонячної прецесії в дії легко – досить подивитися на заведений вовчок. Якщо відхилити його ручку від вертикалі, то вона починає описувати коло в протилежному обертанні напрямку. Якщо уявити, що вісь планети – ручка, а сама планета – юла, то це і буде нехай і грубим але прикладом прецесії осі Землі. Половину циклу прецесії наша планета проходить за 25776 років.

Наслідки прецесій Сонця і комплексу Земля-Місяць

Повільне переміщення точки весняного рівнодення (перетину небесного екватора і екліптики), яке провокує прецесія, призводить до двох наслідків:

• Налаштування небесних координат.
• Змінам перебування Сонця в зодіакальних сузір’ях.

Зміни точки весняного рівнодення призвела до виникнення міжнародної домовленості про координати небесних тіл з обов’язковим фіксуванням на конкретну дату. Адже через прецесію осі Землі в античні часи ця точка перебувала в сузір’ї Овна, а сьогодні вона розташована в сузір’ї Риб. За аналогією не існує і відповідності астрологічних знаків зодіакальних сузір’їв. Наприклад, знак Риб говорить про те, що в період з 21 лютого по 21 березня світило розташовується в сузір’ї Риб. Так і було в античні часи. Але сьогодні через прецесію орбіти Землі в цей період часу Сонце знаходиться в сузір’ї Водолія.

Вічної весни не буде

Прецесія – це передування рівнодень, що означає зміщення точок осіннього і весняного рівнодення. Іншими словами, весна на планеті з кожним роком настає раніше (на 20 хвилин і 24 секунди), а осінь пізніше. До календаря це не має відношення – наш григоріанський календар враховує довжину тропічного року (від рівнодення до рівнодення). Тому за фактом вже включений в наш календар ефект прецесії. Це зміщення періодично, і його період, як вже було сказано раніше, становить 25776 років.

Коли настане новий Льодовиковий період

Зміна напрямку осі Землі кожні приблизно 26 тисяч років (прецесія) – це зміна північного її напрямку. Сьогодні точка Північного полюса вказує на Полярну зірку, через 13 тисяч років вона вкаже на Вегу. А через 50 тисяч років планета пройде два цикли прецесії і повернеться в нинішній стан. Коли планета розташована «прямо» – кількість одержуваної сонячної енергії мінімально і настає льодовиковий період – більшу частину суші покриває лід і сніг. Історія планети показує, що льодовиковий період триває близько 100 тисяч років, а міжльодовиковий – 10 тисяч. Сьогодні ми переживаємо такий міжльодовиковий час, а ось через 50 тисяч років льодова кора покриє планету до кордонів нижче Нью-Йорка.

Не тільки прецесія винна

За даними Національного аерокосмічного агентства НАСА, географічний Північний полюс планети з 2000 року почав активно зміщуватися на схід. За 115 років вивчення клімату на планеті він відхилився на 12 метрів. До 2000 року полюс зі швидкістю кілька сантиметрів на рік рухався в напрямку Канади. Але після зазначеної дати він змінив і напрямок, і швидкість. Сьогодні він зі швидкістю до 17 сантиметрів на рік рухається в бік Британії. Причинами цього явища називають танення Гренландських льодовиків, збільшення маси льоду на сході Антарктиди, посухи в басейні Каспію та Індостану. А за цими явищами стоїть антропогенний фактор впливу на Землю.

Чому зими неоднакові

Крім того, що наша планета прецесує, вона ще й робить коливання при даному процесі. Це нутація – швидкі щодо прецесійного періоду «погойдування полюсів». Саме вона змінює погоду – то зима холодніша, то літо суші і спекотніше. У роки особливо сильної нутації очікуються більш суворі погодні умови.