Оберта́ння Землі́ — це обертання планети Земля навколо власної осі. Земля обертається із заходу на схід. Якщо дивитися з північного полюса, Земля обертається проти годинникової стрілки. Північний полюс і південний полюс — це дві точки, в яких вісь обертання Землі перетинається з її поверхнею.
Період обертання Землі відносно Сонця становить 24 години, а відносно далеких зір — 23 години 56 хвилин і 4 секунди. Обертання Землі з часом трохи сповільнюється, і довжина дня збільшується. Це пов'язано з приливним впливом Місяця на обертання Землі. Атомні годинники показують, що сучасний день приблизно на 1,7 мілісекунди довший, ніж століття тому. Через це Всесвітній координований час доводиться все частіше коригувати шляхом додавання високосних секунд. Аналіз історичних астрономічних записів теж підтверджує уповільнення обертання Землі: з VIII століття до нашої ери тривалість дня збільшувалася в середньому на 2,3 мілісекунди на століття.
Обертання Землі навколо осі зумовлює зміну дня та ночі, а відповідно — і кількості сонячної енергії, яка потрапляє на поверхню Землі протягом доби, що спричиняє добові зміни температури. Зміна надходження сонячного світла є також одним з основних чинників формування біоритмів живих істот.
Історія Серед давніх греків кілька представників піфагорійської школи вірили в обертання Землі, а не в видиме добове обертання небес. Можливо, першим був Філолай (470—385 рр. до н. е.), хоча його система й була складною, включаючи антиземлю, яка щодня оберталася навколо центрального вогнюPseudo-Plutarchus, Placita philosophorum (874d-911c), Stephanus page 896, section A, line 5 Ἡρακλείδης ὁ Ποντικὸς καὶ Ἔκφαντος ὁ Πυθαγόρειος κινοῦσι μὲν τὴν γῆν, οὐ μήν γε μεταβατικῶς, ἀλλὰ τρεπτικῶς τροχοῦ δίκην ἐνηξονισμένην, ἀπὸ δυσμῶν ἐπ' ἀνατολὰς περὶ τὸ ἴδιον αὐτῆς κέντρον; Plutarchus Biogr., Phil., Numa, Chapter 11, section 1, line 5, Νομᾶς δὲ λέγεται καὶ τὸ τῆς Ἑστίας ἱερὸν ἐγκύκλιον περιβαλέσθαι τῷ ἀσβέστῳ πυρὶ φρουράν, ἀπομιμούμενος οὐ τὸ σχῆμα τῆς γῆς ὡς Ἑστίας οὔσης, ἀλλὰ τοῦ σύμπαντος κόσμου, οὗ μέσον οἱ Πυθαγορικοὶ τὸ πῦρ ἱδρῦσθαι νομίζουσι, καὶ τοῦτο Ἑστίαν καλοῦσι καὶ μονάδα· τὴν δὲ γῆν οὔτε ἀκίνητον οὔτε ἐν μέσῳ τῆς περιφορᾶς οὖσαν, ἀλλὰ κύκλῳ περὶ τὸ πῦρ αἰωρουμένην οὐ τῶν τιμιωτάτων οὐδὲ τῶν πρώτων τοῦ κόσμου μορίων ὑπάρχειν. .
Сучаснішу модель обертання Землі описували Гікет, Гераклід і Екфант у IV ст. до н. е. Вони визнавали обертання Землі навколо своєї осі, але не рух Землі навколо Сонця. У III ст. до н. е. Аристарх Самоський висунув ідею геліоцентризму.
Однак Аристотель у IV ст. до н. е. критикував ідеї Філолая як такі, що базуються на теорії, а не на спостереженнях. Він висунув ідею сфери нерухомих зір, яка обертається навколо Землі. Ця ідея була прийнята більшістю пізніших античних науковців, зокрема Клавдієм Птолемеєм (II ст. н. е.), який вважав, що Земля буде спустошена штормами, якщо вона обертатиметься.
Обертання Землі визнавали індійський астроном Аріабхата (499 рік н. е.) та деякі ісламські астрономи X—XV століть. Їхні аргументи та нагадуваи ті, які пізніше використовував Коперник.
Найвпливовіший філософ середньовічної Європи Фома Аквінський прийняв ідею Аристотеля про нерухомість Землі trans in pages 496—500. Ту ж точку зору прийняли Жан Бурідан in і Ніколя Орезм in у XIV ст. Лише коли Миколай Коперник у 1543 році опублікував свою геліоцентричну модель, в Європі почало формуватися сучасне розуміння обертання Землі. Коперник визнавав внесок піфагорійців і вказував на відносність руху. Для Коперника обертання Землі було першим кроком у встановленні простішої моделі Сонячної системи, в якій планети обертаються навколо центрального Сонця.
У 1600 році Вільям Гілберт рішуче підтримав обертання Землі у своєму трактаті про земний магнетизм і тим вплинув на багатьох своїх сучасників. Через століття після Коперника Річчолі заперечував обертання Землі через відсутність спостережуваних відхилень падаючих тіл на східAlmagestum novum, chapter nine, cited in , — такі відхилення пізніше були названі ефектом Коріоліса. Проте роботи Кеплера, Галілея та Ньютона остаточно підтвердили обертання Землі.
Експериментальні доведення
Обертання Землі означає, що Земля сплюснута під дією відцентрової сили. У своїх «Математичних началах натуральної філософії» Ньютон передбачив, що це сплощення має становити 1/230, і вказав на вимірювання коливань маятника, зроблені у 1673 році як на підтвердження зміни сили тяжіння, але ранні вимірювання довжин меридіанів Пікаром і Кассіні в кінці XVII століття вказували на витягнутість Землі до полюсів замість очікуваної сплюснутості. Проте вимірювання Мопертюї та в 1730-х роках встановили сплюснутість Землі, таким чином підтвердивши теорію Ньютона.
Через силу Коріоліса тіла, що падають, трохи відхиляються на схід від вертикальної прямовисної лінії, а снаряди відхиляються праворуч у Північній півкулі (і ліворуч у Південній) від напрямку вистрілу. Гук, дотримуючись пропозиції Ньютона 1679 року, безуспішно намагався перевірити передбачуване відхилення на схід тіла, що падало з висоти 8,2 метри. Надійні результати були отримані пізніше, наприкінці XVII та на початку XIX століть, в Болоньї, у Гамбурзі та Фердинандом Райхом у Фрайберзі, які використовували вищі вежі та дуже обережно відпускали тіла. Наприклад, куля, відпущена Райхом з висоти 158,5 м, відхилилась на 27,4 мм від вертикалі, що в межах похибок узгоджувалось з теоретичним передбаченням 28,1 мм.
Сила Коріоліса також проявляється на метеорологічних масштабах, де вона відповідає за протилежні напрямки обертання циклонів в Північній півкулі проти годинникової стрілки, а антициклонів — за годинниковою стрілкою відповідно (у південній півкуля — навпаки).
У північній півкулі сила Коріоліса спрямована праворуч від напрямку руху, тому вона змушує річки підмивати праві береги сильніше, ніж ліві, і з часом вони стають крутішими. У південній півкулі все відбувається навпаки. Це явище носить назву закона Бера.
Найвідомішим доведенням обертання Землі став маятник Фуко, вперше створений фізиком Леоном Фуко в 1851 році, який складався з наповненої свинцем латунної сфери, підвішеної на висоті 67 м від вершини Пантеону в Парижі. Через обертання Землі площина коливань маятника обертається зі швидкістю, яка залежить від широти. Зараз маятники Фуко встановлені в багатьох наукових .
Період обертання
Середня сонячна доба
Середній період обертання Землі відносно Сонця протягом року — це середня сонячна доба, яка містить 86 400 середніх сонячних секунд. Наразі кожна з цих секунд трохи довша за секунду системи SI, тому що середня сонячна доба на Землі зараз трохи довша, ніж у XIX столітті через припливне гальмування обертання Землі. Середня тривалість середньої сонячної доби з моменту введення високосних секунд в 1972 році була приблизно на 0-2 мс більшою, ніж 86 400 секунд SI. Випадкові флуктуації внаслідок взаємодії між ядром і мантією мають амплітуду близько 5 мсR. Hide et al., «Topographic core-mantle coupling and fluctuations in the Earth's rotation» 1993.. Середня сонячна секунда між 1750 і 1892 роками була обрана в 1895 році Саймоном Ньюкомом як незалежна одиниця часу в його Таблицях Сонця. Ці таблиці використовувалися для обчислення світових ефемерид між 1900 і 1983 роками, тому ця секунда стала відомою як ефемеридна секунда. У 1967 році секунду SI прирівняли до ефемеридної секунди.
Справжня сонячна доба
Тривалість обертання Землі відносно Сонця від сонячного полудня до наступного сонячного полудня — це справжня або видима сонячна доба. Вона залежить не тільки від обертання Землі, а ще й від руху Сонця небом. Через ексцентриситет земної орбіти та нахил земної осі рух Сонця небом нерівномірний — приблизно пів року він довший за середню сонячну добу, а пів року коротший. Справжній сонячний день приблизно на 10 секунд довший поблизу перигелію, коли Сонце швидше рухається вздовж екліптики, і приблизно на 10 секунд коротший поблизу афелію. Також він приблизно на 20 секунд довший біля сонцестояння, де екліптика паралельна небесному екватору, і проєкція видимого руху Сонця на небесний екватор рухається швидше. І навпаки, поблизу рівнодення екліптика утворює максимальни кут з небесним екватором, проєкція Сонця рухається екватором повільніше, і сонячна доба приблизно на 20 секунд коротша, ніж в середньому. Впливи перигелію та сонцестояння разом подовжують справжню сонячну добу близько 22 грудня на 30 секунд, але вплив сонцестояння частково скасовується впливом афелію близько 19 червня, коли доба лише 13 секунд довший. Вплив рівнодення скорочує її біля 26 березня та 16 вересня на 18 та 21 секунду відповідно.
З цієї щоденної різниці довжини скредньої і справжньої сонячної доби в десятки секунд накопичується різниця між істинним і середнім сонячним часом, яка описується рівнянням часу.
Зоряна і сидерична доба
Період обертання Землі відносно Міжнародної небесної системи координат, який Міжнародна служба обертання Землі та систем відліку називає зоряним днем, становить секунд середнього сонячного часу (UT1) , середніх сонячних днів). Зоряна доба коротша за середню сонячну добу приблизно на 3 хвилини 56 секунд. Це результат того, що Земля обертається на 1 додатковий оберт відносно небесної системи відліку протягом одного оберту навколо Сонця (тобто 366,24 обертів/рік). Середня сонячна доба в секундах СІ доступна в IERS за періоди . Графік в кінці і .
Період обертання Землі відносно прецедентного середнього весняного рівнодення, що називається сидеричним днем, становить середнього сонячного часу (UT1) , ). Таким чином, сидерична доба коротша за зоряну приблизно на 8,4 мс.
Останнім часом (1999—2010) середньорічна тривалість середньої сонячної доби перевищувала 86 400 сек системи SI на 0,25-1 мс, і це перевищення необхідно додати до зоряної і сидеричної діб, наведених вище у середньому сонячному часі, щоб отримати їхні довжини в секундах SI.
Кутова швидкість
Кутова швидкість обертання Землі в інерційній системі координат становить ± 10−5 рад/с. Множення на (180°/π радіан) × (86 400 секунд/день) дає , що вказує на те, що Земля обертається більше ніж на 360 градусів відносно нерухомих зір за один сонячний день. Рух Землі по її майже круговій орбіті під час обертання навколо своєї осі вимагає, щоб Земля повернулася трохи більше одного разу відносно нерухомих зір, перш ніж Сонце зможе знову пройти над головою. Помноживши значення в рад/с на екваторіальний радіус Землі 6378137 м (еліпсоїд WGS84), отримаємо екваторіальну швидкість 465 м/с, або 1674,4 км/годArthur N. Cox, ed., Allen's Astrophysical Quantities p.244.. Деякі джерела стверджують, що екваторіальна швидкість Землі трохи менша і становить 1669,8 км/годMichael E. Bakich, The Cambridge planetary handbook, p.50., що дорівнює довжині екваторіального кола Землі, поділеному на 24 години. Однак використання сонячної доби є неправильним, — замість неї треба брати зоряний день, а відношення цих правильного і неправильного значень кутової швидкості саме дорівнює кількості зоряних днів в одній середній сонячній добі, .
Тангенціальну швидкість обертання Землі в точці на Землі можна приблизно визначити, помноживши швидкість на екваторі на косинус широти. Наприклад, Космічний центр Кеннеді розташований на широті 28,59° пн.ш., що дає швидкість: cos(28,59°) × 1674,4 км/год = 1470,2 км/год. Для космодромів часто обирають місця на низьких широтах, щоб космічні апарати могли максимально ефективно використати швидкість обертання Землі.
Вершина вулкана Каямбе — це точка поверхні Землі, найдальша від її осі. Тому вона є місцем на Землі з найбільшою швидкістю обертання.