естествонание. Занятие форма и размеры земли
 Скачать 0.5 Mb.
|
Занятие 1. ФОРМА И РАЗМЕРЫ ЗЕМЛИВопросы для подготовки к занятию 1. Какова форма Земли? Перечислите математические модели, которые используются для описания формы Земли. Земля имеет форму шара со средним радиусом 6371,3 км. Такое представление нашей планеты хорошо подходит для задач, точность вычислений в которых не превышает 0,5 %. В действительности Земля не является идеальной сферой. Из-за суточного вращения она сплюснута с полюсов; высоты материков различны; приливные деформации также искажают форму поверхности. В геодезии и космонавтике обычно для описания фигуры Земли выбирают эллипсоид вращения или геоид. С геоидом связана система астрономических координат, с эллипсоидом вращения — система геодезических координат. Математическая модель Земли — разработана под руководством Ф. Пресса в Массачусетском технологическом ин-те (США). Из изученных в этом ин-те методом Монте-Карло на ЭВМ 5 млн. математических моделей Земли 3 модели наиболее хорошо отвечают имеющимся фактическим материалам. По этим моделям Земля имеет радиус на 18—22 км больше, чем принято теперь (6371 км); ее внешнее жидкое ядро сложено сплавом Fe и Si (содержит последнего 15—25%), а внутреннее твердое ядро — сплавом Fe и Ni (содержит его 20—50% ). Плотность внутри ядра выше (13,3—13,7 г/см3), чем принято считать (12 г/см3). Начальные плотности в верхней части жидкого ядра — 9,4—10,0 г/см3. Для мантии характерна химический дифференциация. Переходная зона между верхней и нижней мантией характеризуется большими изменениями плотности и скоростей сейсмических волн. Материал переходной зоны варьирует в разных ее частях от твердого до жидкого. Описанные Математические модели Земли свидетельствуют о значительных флюктуациях плотности в верхней мантии, о наличии вертикальных и горизонтальных неоднородностей, обусловливающих нестабильное состояние и развитие мощных динамических процессов (расширение океанического дна, вулканизм, сейсмичность, вариации теплового потока, движение полюсов Земли и другие).  2. Дайте определение понятию «геоид». Геоид – условное наименование истинной фигуры Земли, предложенное в 1873 г. немецким ученым И. Листингом (геоид – землеподобный). Геоид – это геометрически сложная поверхность равных значений потенциала силы тяжести, совпадающая с невозмущенной поверхностью Мирового океана и продолженная под континентами. Он близок к эллипсоиду со сжатием 1 : 298,2. Мальцев, В.П. Естествознание [Текст]: учебное пособие / В.П. Мальцев, Н.Н. Титаренко. – Челябинск: Изд-во ЮУрГГПУ, 2019. – 249 с. 3. Какие факторы определяют форму Земли? Форму планеты Земля определяет несколько факторов. Во-первых, вращение шара Земли создает центробежную силу, причем на экваторе она выше, чем у полюсов. Из-за этой разницы планета оказывается чуть сплюснута и ее диаметр, проходящий через экватор, становится на 43 км больше. Если бы всю ее целиком покрывал бескрайний океан, то он образовывал бы чуть вытянутый эллипсоид, и эта фигура более точно соответствует действительной форме Земли. Но это только во-первых. Масса распределена по поверхности нашей планеты не совсем равномерно. Как правило, литосферные плиты материков толще, чем океанические. Высокие горы и глубокие впадины, мощные рудные отложения – все это создает слабые аномалии, участки, в которых гравитационное поле оказывается чуть сильнее или слабее обычного. Гравитационные аномалии обнаруживают по их влиянию на высоту полета спутников, работающих на околоземной орбите. 4. Основные показатели размеров Земли (эллипсоид вращения Ф. Н. Красовского). Ф. Н. Красовский (1878–1948г.г.), советский ученый геодезист, под руководством которого в результате научной обработки огромного материала измерений были получены новейшие, более точные данные о размерах земного эллипсоида. Принято считать, что по форме Земля близка к эллипсоиду, получающемуся при вращении эллипса вокруг малой оси.  Длина большой полуоси земного эллипсоида а = 6 378 245 м, малой b = 6 356 863 м. Разность между полуосями 21.4 км. Отношение  называется сжатием Земли. Такие размеры земного эллипса установил проф. Н. Ф. Красовский. Постановлением Совета Министров СССР № 760 от 7 апреля 1946 г. размеры эллипсоида Н. Ф. Красовского приняты при всех геодезических, топографических и картографических работах СССР. При решении большинства задач в судовождении величиной сжатия Земли, составляющей 0,3%, пренебрегают и принимают Землю за шар, объем которого равен объему земного эллипсоида. Исходя из этой условности, т. е. что  а подставив в эту формулу значения а и 6, определим радиус такого шара R = 6 371 110 м. 5. Важнейшие доказательства шарообразности Земли. Первые доказательства были приведены тремя древнегреческими учёными: Пифагором, Аристотелем и Эратосфеном. Основоположником учения о шарообразности Земли принято считать математика и философа Пифагора (VI век до н.э.). Пифагор говорил, что Земля не может иметь никакой другой формы, кроме шара. По мнению Пифагора, в природе всё устроено правильно и красиво. А самой правильной и поэтому красивой фигурой он считал именно шар. Аристотель был очень наблюдательным и умным человеком. Поэтому сумел собрать немало доказательств шарообразности Земли. Первое: если смотреть на приближающийся со стороны моря корабль, то сначала из-за горизонта появятся мачты и только потом - корпус корабля. Второе, самое серьёзное доказательство Аристотеля связано с наблюдениями, которые он провёл во время лунных затмений. Ночью на Луну "набегает" огромная тень, и Луна "гаснет", правда, не полностью: она только темнеет и меняет цвет. Древние греки говорили, что Луна становится "цвета тёмного мёда". Он не раз наблюдал лунные затмения и понял, что огромная тень, закрывающая Луну, - это тень Земли, которую отбрасывает наша планета, когда оказывается между Солнцем и Луной. Аристотель обратил внимание на одну странность: сколько бы раз и в какое время он бы ни наблюдал лунное затмение, тень Земли - всегда круглая. Но только у одной фигуры тень всегда круглая - у шара. Впервые достаточно точно определил размеры Земли, доказав ее шарообразность, греческий ученый Эратосфен. Он вычислил длину окружности Земли математически. 22 июня он измерил угол отклонения солнечного света по тени в одном пункте (в Александрии), а в другом пункте (в Сиене, ныне Асуан) Солнце стояло в зените. В Александрии Солнце отстояло от зенита на 7,2 о . Зная расстояние от Александрии до Сиены, Эратосфен вычислил длину окружности Земного шара и радиус, который практически совпадает с современными данными. Таким образом, античным ученым было уже известно, что Земля – шар. Эпоха Возрождения позволила совершить скачок вперед. Практическим путем шарообразность Земли в средние века доказал испанский мореплаватель Фернандо Магеллан, совершив кругосветное путешествие и возвратившись в свою страну (1519-1521 г.г.). Именно уверенность в шарообразности Земли позволила Америго Виспуччи (1499-1500 г.г.) и Христофору Колумбу (1502-1504 г.г.) открыть новый континент – Америку (хотя они думали, что попали в Индию). В науке того времени сформировалось утверждение о шарообразности Земли. Термины и понятия Геоид – условное наименование истинной фигуры Земли, предложенное в 1873 г. немецким ученым И. Листингом (геоид – землеподобный). Геоид – это геометрически сложная поверхность равных значений потенциала силы тяжести, совпадающая с невозмущенной поверхностью Мирового океана и продолженная под континентами. Он близок к эллипсоиду со сжатием 1 : 298,2. Эллипсоид - представляет собой одну из возможных форм поверхностей второго порядка. В случае, когда пара полуосей имеет одинаковую длину, эллипсоид может быть получен вращением эллипса вокруг одной из его осей. Такой эллипсоид называют эллипсоидом вращения или сфероидом. Полярный радиус Земли- расстояние от географического полюса до центра Земли. Он равен 6356,8 километра. Экваториальный радиус Земли - расстояние от экватора до центра Земли. Он равен 6378,1 километра. Год - внесистемная единица измерения времени, которая исторически в большинстве культур означала однократный цикл смены сезонов (весна, лето, осень, зима) Сутки - единица измерения времени. Сила Кориолиса - Сила, отклоняющая движущееся горизонтально у поверхности Земли тело; независимо от направления движения вследствие вращения Земли с запада на восток в Северном полушарии тело отклоняется вправо, в Южном влево. Афелий или апоге́лий — наиболее удалённая от Солнца точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы, а также расстояние от этой точки до Солнца. Перигелий - Ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы, а также расстояние от этой точки до центра Солнца. Солнцестоя́ние (древнерусское название: солнцеворо́т) — астрономическое событие, при котором Солнце над горизонтом в истинный полдень находится на максимальной (летнее солнцестояние) или минимальной высоте (зимнее солнцестояние) В ходе солнцестояний Солнце достигает максимального склонения к северу или югу относительно экватора Земли. Солнцестояние происходит дважды в год 20—21 июня и 21—22 декабря. В день летнего солнцестояния наблюдается самый длинный день и самая короткая ночь, а в день зимнего солнцестояния наоборот — самый короткий день и самая длинная ночь по сравнению с любым другим днём года (за исключением полюсов). Равноде́нствие — астрономическое явление, когда центр Солнца в своём видимом движении по эклиптике пересекает небесный экватор. Равноденствие (весеннее равноденствие и осеннее равноденствие) – моменты, когда солнечные лучи касаются обоих полюсов, и отвесно падают на экватор. Весеннее равноденствие бывает 21 марта, осеннее равноденствие – 23 сентября. В эти дни оба полушария освещены одинаково, день равен ночи. Главная причина изменения температуры воздуха – изменение угла падения солнечных лучей: чем более отвесно они падают на земную поверхность, тем лучше прогревают ее. Полярный день - период, когда Солнце не заходит за горизонт дольше 1 суток. Полярная ночь - период, когда Солнце более 24 часов (то есть более суток) не появляется из-за горизонта. Задание 1. Используя рис.1, вывести формулу для определения дальности видимого горизонта. Радиус Земли принять равным 6371км.  Рис.1. Дальность видимого горизонта. ОВ = ОС - радиус Земли (R); АС = Н – высота точки наблюдения над земной поверхностью; АВ = D – дальность видимого горизонта. Для вывода формулы использовать существующую зависимость сторон прямоугольного треугольника: (R+H)2=D2+R2. В полученной формуле коэффициент 3,57 заменить на эмпирический 3,861, учитывающий рефракцию световых лучей в атмосфере (вследствие рефракции дальность видимого горизонта при нормальном состоянии атмосферы увеличивается в среднем на 7-8 %). По формуле вычислить дальность видимого горизонта с высоты вашего роста. Решение: Длину D легко вывести из теоремы Пифагора:   В реальной жизни на стороне человека выступает атмосфера. Она, благодаря явлению рефракции, то есть преломлению лучей в верхних слоях атмосферы расширяет его горизонты.  Задание 2. Построить график зависимости дальности видимого горизонта от высоты места наблюдения, используя данные табл. 1. График строится в системе прямоугольных координат; на оси абсцисс откладывается высота места наблюдения, на оси ординат — дальность видимого горизонта. Рекомендуемые масштабы: вертикальный — 1:4000000, горизонтальный — 1:100000. Произвести анализ графика. Таблица 1.
Решение: Вертикальный - 1 см на карте- 4000000 см на местности, значит будет 40 км Горизонтальный - 1 см на карте- 100000 см на местности, значит будет 1 км (1000 м)  С увеличением высоты места наблюдения (>1000 м), значительно увеличивается дальность видимого горизонта ( >120 км) Задание 3. По графику определить дальность видимого горизонта для следующих горных вершин: Джомолунгма, Эльбрус, Роман-Кош. Высота Джомолунгмы 8 849 м. Дальность видимого горизонта 363,1 км. Высота Эльбруса 5642 м. Дальность видимого горизонта 289,9 км. Высота Роман-Кош 1545 м. Дальность видимого горизонта 151,7 км. Задание 4. Можно ли с высшей точки Крымских гор увидеть берег Турции? Если мы посмотрим на карту, которая дана ниже в приложении, то увидим, что расстояние от Крымских гор (высота Крымских гор до 2000 м,дальность видимого горизонта до 160 км ) до берегов Турции составляет примерно 270-280 км. Это значит, что с Крымских гор увидеть берега Турции невозможно.  Задание 5. Вычислить высоту полета космического корабля, на которой с него можно обозревать всю территорию Европы (м. Рока — г. Екатеринбург). Расстояние от мыса рока до Екатеринбурга 6 400,6 км h=(D/3,86)0,5=(6400/3,86)0,5=40 км. Задание 6. Как определить масштаб глобуса, если он не обозначен? Выполнить расчет масштаба глобуса, используя данные о размерах Земли. Определить, можно ли на этом глобусе показать сжатие Земли. Его масштаб можно определить по диаметру. К примеру. Дан диаметр. Сначала находим длину окружности с диаметром 42.5 , получаем 133.25 см. Затем по среднему радиусу Земли окружности Земли - 4000.88км. Теперь определяем масштаб. Получится что-то около 300 км в 1 см. 1см - 300км или 1 : 30 000 000 Задание 7. Объяснить, почему при восходе (заходе) Солнце освещает раньше всего (дольше всего) наиболее высоко расположенные объекты? Сделать рисунок, объясняющий этот феномен. Потому что лучи солнца идут прямо, а планета Земля шарообразна. Когда планета делает оборот вокруг своей оси, а именно поворачивается/отворачивается от Солнца, лучи проходят вскользь горизонта упираясь в наивысшие объекты.  Освещенность объекта при восходе (заходе) Солнца Контрольные вопросы1. Каково географическое значение формы и размеров Земли? Размеры и форма Земли имеют важное географическое значение. Её шарообразность обуславливает уменьшение угла падения солнечных лучей от низких широт (экватора) к высоким (полюсам). Вследствие этого образуется главная географическая закономерность – зональность комплексов (тепловые пояса) географической оболочки. Тепловые пояса совместно с другими причинами (расстоянием Земли от Солнца, её массой и размерами) обуславливает закономерное изменение природных явлений и процессов от экватора к полюсам. 2. Что находится ближе к 45-й параллели: полюс или экватор? 45-я параллель отстоит от северного полюса на 5017 километров, а от экватора на 4985 километров, следовательно, как сама 45-параллель, так и Ставрополь на 32 километра ближе к экватору, чем к полюсу. Это связано с тем, что Земля сплюснута у полюсов. Как известно, в Ставрополе есть улица 45-я параллель и недавно здесь даже поставили аляповатый временный памятный знак в виде 3. По какой параллели Земли кругосветное путешествие будет вдвое короче, чем по экватору? Параллели уменьшаются по направлению к полюсам. Самая длинная параллель - экватор, длина которого, вследствие сжатия Земли, несколько больше меридиана (40 070 км). Длина любой параллели определяется по формуле:2•π•R•cosφ, где φ - широта места, R - средний радиус Земли (6371 км). Следовательно, задача решается уравнением: 20035=2•π•R•cosφ;  Это отвечает 60о (параллель Ленинграда). Длина кругосветного путешествия, но по параллели на широте Москвы(φ= 56о)=40070•cos56о=22407км. Для сравнения укажем в километрах длину 1 градуса параллелей разных широт.  1 D=3,86√H |