Когда мы видим нашу планету с космоса, она представляется нам идеально округлой формы. Однако ученые давно знают удивительную правду: Земля на самом деле не имеет формы точного круга. Тем не менее это не связано с какими-то теориями заговора — напротив, реальная структура Земли намного более увлекательна и открывает перед нами основополагающие законы физики в действии.
Почему у Земли не сферическая форма?
Форма Земли напоминает сплюснутое яйцо из-за её вращения вокруг своей оси и называется геоидом. Экваториальный диаметр планеты составляет около 12 754 км, а полярный — примерно 12 712 км — разница между ними приблизительно 42 километра. Хотя на первый взгляд это может показаться незначительным отличием в размерах, это деформация обусловлена глубокими физическими процессами.
Силу отталкивания называют главным "художником", формирующим планету.
Главная причина сплюснутости Земли заключается в центробежной силе, возникающей из-за вращения планеты вокруг своей оси. Земля завершает свое полное оборот за 23 часа 56 минут 4 секунды, формируя центробежную силу с максимумом на экваторе и нулевой на полюсах.
На экваторе скорость точек на поверхности планеты достигает примерно 465 м/с из-за вращения Земли вокруг своей оси за сутки. Эта центробежная сила направлена от оси вращения и стремится “растянуть” планету в экваториальной области, что делает экваториальный радиус Земли на 21,38 км больше полярного.
Формула для определения сплюснутости Земли выглядит так: f = (а - b)/а = 1/298.2575, где а - экваториальный радиус Земли и b - полярный радиус.
Воздействие гравитации.
Изглаженность поверхности Земли создает любопытную ситуацию: гравитационное притяжение на полюсах немного сильнее — примерно на 0,5%, чем на экваторе. Это объясняется двумя факторами:
Расстояние до географического полюса менее далеко от сердца Земли, поскольку там вы ближе к её массе.
Силу центробежную можно наблюдать на экваторе как частичную компенсацию силы притяжения; в то время как на полюсах она не проявляется.
Это фактически означает для нас так: если человек весит 70 килограммов на северном полюсе, то его вес приблизительно будет больше на 100 граммов по сравнению с его весом на экваторе.
Однако даже эллипсоид — это упрощение. Фактическая форма Земли называется геоидом — поверхностью с постоянным уровнем потенциала гравитационного поля везде на планете. Геоид учитывает неравномерное распределение массы внутри Земли: горные хребты, океанические впадины и различную плотность горных пород.
На поверхности Земли распределение массы неоднородно: литосферные плиты под материками толще океанических плит; высокие вершины гор и глубокие ямы вносят свой вклад в формирование гравитационных аномалий — участков с небольшими отличиями в силе гравитационного поля от стандартного уровня.
Как определяют форму нашей планеты?
Современные методы для определения формы Земли используют технологию спутниковой геодезии. Проект GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) в течение 15 лет отслеживал даже самые маленькие изменения в гравитационном поле Земли. Два идентичных спутника находились на расстоянии 220 км друг от друга и измеряли изменения расстояния между собой с точностью до микрона.
Спутник GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) выполнил очень точное измерение гравитационного поля нашей планеты при помощи чрезвычайно чувствительных акселерометров, что позволило получить наиболее подробную карту геоида.
Земля на фоне бескрайних космических просторов
Несмотря на все несовершенства в форме Земли в космических масштабах она выглядит очень гладкой. Даже высочайшая точка - Эверест (высотой 8.8 км), отклоняется всего на 0.14% от среднего радиуса Земли; а самое глубокое место - Марианская впадина (глубиной 10.9 км), всего лишь на 0.17%. Отклонения геоида от эллипсоида составляют всего от -85 до +106 метров.
Динамичный мир
Форма Земли непрерывно меняется под воздействием различных факторов: приливы и отливы создаются гравитационным притяжением Луны и Солнца и оказывают влияние не только на океаны, но и на земную кору. Движение тектонических плит постепенно приводит к изменениям в распределении массы на земной поверхности за миллионы лет. Даже процессы таяния льда и колебания уровня океанов имеют свой вклад в формирование облика нашей планеты.
Сравнение с остальными мирами
На нашей огромной Вселенной существует не только Земля - планета со своей неповторимой формой “несферической". Юпитер, мчится вращаясь газовый гигант - идеальный пример еще более сплюснутой формы: его эффектно вытянутый экватор равен 142 984 км в диаметре, а полярный - 133 709 км (разница порядка 9275 км). Карликовая планета Хаумеа благодаря своему ультра-быстрому обороту (всего за 4 часа) приобрела почти яйцевидную форму.
Научные факты
Форма Земли в форме шара была установлена еще в древности греками, когда Аристотель отметил, что во время лунных затмений на Луну падает круглая тень, и Эратосфен в III веке до н.e измерил окружность Земли по разнице в высоте солнца в разных городах.
Исаак Ньютон первым изобразил теоретический прогноз: Земля при вращении должна быть сплюснута у полюсов. Он предложил мысленный опыт с двумя колодцами — один от полюса и другой от экватора до центра Земли с наполнением водой внутри них. Для достижения равновесия экаосферический колодец требует большей длины из-за действия центробежной силы.
Фактический облик Земли является гораздо более сложным и увлекательным, нежели простой шар. Это объясняется взаимодействием основных физических сил: гравитации, центробежной силы от вращения и геологических процессов. Современные технологии позволяют измерить форму нашей планеты с невероятной точностью и раскрывают ее как динамичную систему постоянных изменений.
Да-да, вы правы. Земля не совсем круглая — но это только добавляет ей загадочности с физической точки зрения!
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России, в рамках Десятилетия науки и технологий