Осьове обертання Землі та його наслідки

Коли ми дивимося на глобус, Земля здається ідеальною кулею. Насправді її форма складніша. Через осьове обертання наша планета сплюснута біля полюсів — відцентрова сила ніби «розплющує» її на екваторі. Розберімося, якою є справжня форма Землі та які розміри варто знати для НМТ.

Від кулі до еліпсоїда обертання

Найпростіша модель Землі — куля. Вона добре описує планету на глобусі й дає змогу розраховувати відстані. Однак точні вимірювання показали, що екваторіальний радіус Землі більший за полярний. Це означає, що планета сплюснута біля полюсів, тобто має форму еліпсоїда обертання (сфероїда).

Різниця в 21 км на тлі майже 6400 км здається невеликою — тому на глобусі сплюснутості не видно. Однак вона існує, і саме вона робить форму Землі еліпсоїдом обертання, а не ідеальною кулею.

Геоїд — реальна форма Землі

Еліпсоїд обертання — це математична модель. Реальна ж форма Землі називається геоїдом. Геоїд — це фігура, обмежена поверхнею Світового океану в спокійному стані, умовно продовженою під материками. Уявіть, що ви «відкачали» всю воду з океанів, але залишили її рівень як уявну поверхню, яка проходить крізь континенти. Ця поверхня й окреслює геоїд.

Геоїд відрізняється від еліпсоїда через нерівномірний розподіл маси всередині Землі: у місцях, де є аномалії гравітації, поверхня геоїда трохи «піднімається» або «опускається» відносно ідеального еліпсоїда. Для більшості географічних задач, зокрема для НМТ, достатньо знати, що Земля — геоїд, а її наближена модель — еліпсоїд обертання.

Чому Земля сплюснута?

Сплюснутість біля полюсів — прямий наслідок осьового обертання Землі. Відцентрова сила, яка виникає під час обертання, найбільша на екваторі (там найбільша лінійна швидкість) і дорівнює нулю на полюсах. Ця сила ніби «розтягує» планету в екваторіальній площині, через що екваторіальний радіус стає більшим за полярний.

Наслідок кулястості: кут падіння сонячних променів

Через кулясту форму Землі сонячні промені падають на її поверхню під різними кутами. На екваторі вони падають майже прямовисно (кут близький до 90°), тому поверхня отримує багато тепла. До полюсів кут падіння зменшується, промені «ковзають» по поверхні, і одна й та сама кількість енергії розподіляється на більшу площу. Саме тому на екваторі спекотно, а біля полюсів холодно. Докладніше про пояси освітленості — в окремому юніті.

Земля не стоїть на місці — вона постійно обертається навколо уявної осі, яка проходить через Північний і Південний полюси. Цей рух називають осьовим обертанням. Його основні показники — напрямок, період, швидкість і нахил осі — потрібно знати, щоб розуміти, чому день змінює ніч, а річки підмивають один берег сильніше за інший.

Напрямок обертання

Земля обертається навколо своєї осі із заходу на схід. Якщо дивитися на Землю з боку Північного полюса (згори), вона обертається проти годинникової стрілки. Саме тому Сонце, Місяць та зорі сходять на сході й заходять на заході — ми «повертаємося» до них східним боком. Якби Земля оберталася зі сходу на захід, Сонце сходило б на заході.

Період обертання: сонячна й зоряна доба

Період, за який Земля робить повний оберт навколо осі, називають добою. Однак існує два різних виміри цього періоду:

Зоряна доба — це час повного оберту Землі відносно нерухомих зірок. Сонячна доба на 3 хв 56 с довша, тому що Земля одночасно рухається орбітою навколо Сонця, і Сонце зміщується на тлі зірок. Для повсякденного життя ми користуємося сонячною добою — 24 години.

Нахил земної осі

Земна вісь не перпендикулярна до площини орбіти, а нахилена. Кут між віссю й площиною орбіти становить 66,5°. Відхилення від перпендикуляра (кут нахилу осі) — 23,5°. Саме цей нахил, а не осьове обертання, спричиняє зміну пір року. Вісь завжди спрямована на Полярну зорю, тому напрямок на північ можна визначити за цією зорею.

Кутова швидкість обертання

Кутова швидкість — це кут, на який повертається Земля за одиницю часу. Вона однакова для всіх точок планети, крім полюсів (де вісь обертання):

• За 24 год Земля повертається на 360°.

• За 1 год — на 15° (360° : 24 = 15°).

• На 1° Земля повертається за 4 хв (60 хв : 15 = 4 хв).

Це означає, що якщо два пункти розташовані на меридіанах, віддалених на 15° за довготою, то місцевий час у них відрізняється на 1 годину. Розрахунки часу за довготою ви докладно вивчатимете в курсі «Картографія й топографічна карта».

Лінійна швидкість обертання

Лінійна швидкість — це відстань, яку проходить точка на поверхні Землі за одиницю часу внаслідок обертання. Вона залежить від широти: чим далі від екватора, тим менше коло описує точка за добу.

На екваторі лінійна швидкість найбільша, тому що довжина екватора — найбільше коло Землі. На полюсах точка не рухається по колу — вона просто обертається на місці, тому лінійна швидкість дорівнює нулю. Саме через велику лінійну швидкість на екваторі відцентрова сила найбільша, що й спричиняє сплюснутість планети.

Осьове обертання Землі має найочевидніший наслідок — зміну дня й ночі. Саме завдяки тому, що планета обертається, ми бачимо, як Сонце сходить уранці, підіймається до найвищої точки над горизонтом опівдні й заходить увечері. Розберімося, як це відбувається і які ритми воно створює в природі.

Як день змінює ніч

Земля — куля, тому сонячні промені в будь-який момент освітлюють лише половину її поверхні. Друга половина перебуває в тіні. Межу між освітленою й неосвітленою частинами називають лінією світлоподілу, або термінатором. Через обертання Землі кожна точка на поверхні по черзі потрапляє в освітлену зону (день), а потім у затінену (ніч).

Якби Земля не оберталася, одна її половина завжди була б освітлена (вічний день), а друга — завжди в тіні (вічна ніч). На освітленому боці температура сягала б сотень градусів, на нічному — опускалася б до космічного холоду. Обертання запобігає такому перегріванню й переохолодженню, рівномірно розподіляючи тепло.

Діаграма: освітлення Землі сонячними променями

Добова ритміка в географічній оболонці

Зміна дня й ночі створює добовий ритм — повторювані зміни природних процесів протягом 24 годин. Ось головні прояви добової ритміки:

• Добовий хід температури повітря: найнижча температура — перед сходом Сонця, найвища — після полудня (зазвичай о 14–15 год). Розрахунки добового ходу температури ви вивчатимете в курсі про атмосферу.

• Вітри-бризи: удень вітер дме з моря на сушу (морський бриз), уночі — із суші на море (береговий бриз).

• Розкривання й закривання квітів: багато рослин розкривають пелюстки вдень і закривають уночі.

• Активність тварин: денні тварини (птахи, більшість ссавців) активні вдень, нічні (сови, кажани) — уночі.

• Ритми фотосинтезу: у світлий час доби рослини активно поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень; уночі фотосинтез припиняється.

Наслідок для часу: різний місцевий час на різних меридіанах

Оскільки Земля повертається на 15° за годину, точки на різних меридіанах зустрічають Сонце в різний момент. Коли в Києві (≈ 30° сх. д.) полудень, у Лондоні (≈ 0° д.) ще ранок, а в Дніпрі (≈ 35° сх. д.) Сонце вже пройшло найвищу точку (місцевий полудень минув). Саме тому світ поділено на часові пояси. Докладно про це — у курсі «Картографія й топографічна карта».

Один із найцікавіших наслідків осьового обертання Землі — сила Коріоліса. Це відхиляюча сила, яка діє на будь-яке тіло, що рухається горизонтально відносно поверхні Землі. Вона не «штовхає» тіло, а змінює його траєкторію. Розберімося, як і чому це відбувається.

Що таке сила Коріоліса?

Сила Коріоліса — це відхиляюча сила, спричинена обертанням Землі. Її суть: тіло, що рухається горизонтально, відхиляється праворуч від напрямку свого руху в Північній півкулі й ліворуч — у Південній. На екваторі сила Коріоліса дорівнює нулю, а до полюсів вона зростає.

Чому так? Уявіть, що ви запускаєте ракету з екватора прямо на північ. Поки ракета летить, Земля під нею обертається із заходу на схід. На екваторі лінійна швидкість обертання найбільша, а на півночі — менша. Тому ракета, зберігаючи свою початкову швидкість, «обганяє» Землю й відхиляється праворуч (на схід) від початкового напрямку.

Діаграма: відхилення рухомих тіл силою Коріоліса

Сила Коріоліса й річки: закон Бера

У Північній півкулі річки, що течуть у меридіональному напрямку (з півдня на північ або з півночі на південь), сильніше підмивають правий берег. Тому правий берег частіше буває крутим, а лівий — пологим. Це явище називають законом Бера. У Південній півкулі, навпаки, сильніше підмивається лівий берег. Наприклад, Дніпро в середній течії має крутий правий берег і пологий лівий — це добре помітно в Києві.

Сила Коріоліса й вітри

Пасати — вітри, що дмуть від тропіків до екватора. Без сили Коріоліса вони дули б прямо на південь (у Північній півкулі) і прямо на північ (у Південній). Однак через відхилення:

• У Північній півкулі пасати відхиляються праворуч і стають північно-східними.

• У Південній півкулі пасати відхиляються ліворуч і стають південно-східними.

Циклони й антициклони також закручуються під дією сили Коріоліса. У Північній півкулі циклони обертаються проти годинникової стрілки, а антициклони — за годинниковою. У Південній півкулі — навпаки.

Сила Коріоліса й течії

Морські течії також відхиляються силою Коріоліса. Наприклад, Гольфстрім, рухаючись на північ у Північній півкулі, відхиляється праворуч (на схід). Саме тому він несе теплу воду до берегів Європи, а не прямо до полюса.

Сила Коріоліса й залізниці

На двоколійних залізницях Північної півкулі правіша рейка (відносно напрямку руху) стирається сильніше, ніж ліва. Це тому, що потяг, рухаючись, трохи відхиляється праворуч і більше тисне на праву рейку. У Південній півкулі сильніше стирається ліва рейка.

Важлива пастка

Сила Коріоліса діє на рух будь-якого напрямку (не лише на південь чи північ), але не діє на тіла в спокої й не створює рух сама. Вона лише відхиляє тіло, що вже рухається. У географії розглядають відхилення тіл, що рухаються горизонтально (вітри, течії, річки): у Північній півкулі — праворуч, у Південній — ліворуч.

Розгляньмо чотири типові завдання з теми «Осьове обертання Землі та його наслідки», які можуть трапитися на НМТ. Кожне завдання — з вибором однієї правильної відповіді з чотирьох.

Приклад 1. Правий берег річки

Завдання: Чому правий берег річки, що тече на північ через Східноєвропейську рівнину, зазвичай крутіший за лівий?

Варіанти відповідей:

• А) Через нахил земної осі до площини орбіти.

• Б) Через орбітальний рух Землі навколо Сонця.

• В) Через відхиляючу дію осьового обертання Землі (силу Коріоліса).

• Г) Через кулясту форму Землі.

Розв'язання: Східноєвропейська рівнина розташована в Північній півкулі. У Північній півкулі сила Коріоліса відхиляє рухомі тіла праворуч. Для річки, що тече на північ, правий берег — це східний берег. Сила Коріоліса притискає воду до правого берега, підмиваючи його, тому він стає крутішим. Це явище називають законом Бера.

Відповідь: В)

Чому інші варіанти неправильні:

• А) Нахил осі (66,5° до площини орбіти) спричиняє зміну пір року, а не підмивання берегів.

• Б) Орбітальний рух навколо Сонця триває 365 діб і відповідає за зміну пір року, а не за відхилення води в річці.

• Г) Кулястість Землі впливає на кут падіння сонячних променів, але не на підмивання берегів.

Приклад 2. Лінійна швидкість обертання

Завдання: У якій із перелічених точок лінійна швидкість осьового обертання Землі найбільша?

Варіанти відповідей:

• А) 0° (екватор)

• Б) 30° пн. ш.

• В) 60° пд. ш.

• Г) 89° пн. ш.

Розв'язання: Лінійна швидкість осьового обертання залежить від широти: вона найбільша на екваторі (≈ 465 м/с) і зменшується до нуля на полюсах. На 30° пн. ш. вона менша, ніж на екваторі, на 60° пд. ш. — ще менша, а на 89° пн. ш. (майже на Північному полюсі) — близька до нуля. Кутова швидкість (15° за годину) справді однакова всюди, але лінійна — ні.

Відповідь: А)

Типова пастка: дехто вважає, що лінійна швидкість, як і кутова, однакова для всіх точок Землі. Насправді кутова швидкість справді однакова (15° за годину), а лінійна залежить від широти.

Приклад 3. Відхилення вітру силою Коріоліса

Завдання: Куди відхиляється вітер, що дме з тропіків до екватора в Південній півкулі?

Варіанти відповідей:

• А) Праворуч, тобто стає північно-східним вітром.

• Б) Ліворуч, тобто стає південно-східним вітром.

• В) Не відхиляється взагалі.

• Г) Праворуч, тобто стає південно-східним вітром.

Розв'язання: У Південній півкулі сила Коріоліса відхиляє рухомі тіла ліворуч. Вітер дме від тропіка до екватора, тобто без відхилення рухався б з півдня на північ (у Південній півкулі тропік розташований на південь від екватора). Відхилившись ліворуч (на захід), повітря рухається на північний захід, тобто дме з південного сходу, — це південно-східний пасат.

Відповідь: Б)

Чому інші варіанти неправильні:

• А) Праворуч — це напрямок відхилення в Північній півкулі, а не в Південній.

• В) Сила Коріоліса діє на будь-який горизонтальний рух, тому вітер обов'язково відхиляється.

• Г) Праворуч — неправильний напрямок для Південної півкулі, і південно-східний вітер не може бути результатом відхилення праворуч у цьому випадку.

Приклад 4. Що таке геоїд?

Завдання: Яке з тверджень правильно описує геоїд?

Варіанти відповідей:

• А) Ідеальна куля з однаковим радіусом у всіх напрямках.

• Б) Фігура, обмежена поверхнею Світового океану в спокійному стані, умовно продовженою під материками.

• В) Фігура, витягнута вздовж земної осі (полярний радіус більший за екваторіальний).

• Г) Еліпсоїд обертання без сплюснутості.

Розв'язання: Геоїд — це реальна форма Землі. Його визначають як фігуру, обмежену рівневою поверхнею Світового океану, яку подумки продовжують під материками. Це не ідеальна куля, не еліпсоїд і не фігура, витягнута вздовж осі.

Відповідь: Б)

Чому інші варіанти неправильні:

• А) Ідеальна куля — це спрощена модель, а не реальна форма Землі.

• В) Насправді Земля сплюснута біля полюсів, а не витягнута вздовж осі. Полярний радіус (≈ 6357 км) менший за екваторіальний (≈ 6378 км).

• Г) Еліпсоїд обертання має сплюснутість (екваторіальний радіус більший за полярний), а геоїд — це ще точніша модель, яка враховує гравітаційні аномалії.

Під час вивчення теми «Осьове обертання Землі та його наслідки» учні часто припускаються одних і тих самих помилок. Ось найпоширеніші з них — запам'ятай їх, щоб не втратити бали на НМТ.

• Плутати наслідки осьового й орбітального рухів. Осьове обертання (навколо осі) спричиняє зміну дня й ночі, силу Коріоліса та сплюснутість планети. Орбітальний рух (навколо Сонця) спричиняє зміну пір року. Не плутай ці два різні рухи.

• Вважати, що Земля обертається зі сходу на захід. Це поширена помилка, бо ми бачимо, як Сонце «рухається» зі сходу на захід. Насправді Земля обертається із заходу на схід — саме тому Сонце сходить на сході.

• Переплутати напрямок відхилення силою Коріоліса. Запам'ятай: у Північній півкулі — праворуч, у Південній — ліворуч. Багато учнів механічно запам'ятовують «праворуч» і забувають, що це стосується лише Північної півкулі.

• Вважати, що сила Коріоліса найбільша на екваторі. Насправді на екваторі вона дорівнює нулю. Сила Коріоліса зростає від екватора до полюсів.

• Плутати кутову й лінійну швидкість. Кутова швидкість (15° за годину) однакова для всіх точок Землі, крім полюсів. Лінійна швидкість залежить від широти: на екваторі найбільша (≈ 465 м/с), на полюсах — нуль.

• Вважати сплюснутість Землі значною. Різниця між екваторіальним і полярним радіусами становить лише ≈ 21 км. На глобусі цієї різниці не видно, тому Земля візуально здається кулею.

Тема «Осьове обертання Землі та його наслідки» входить до теми 1.3 програми НМТ з географії — «Географічні наслідки параметрів і рухів Землі як планети». Ось що варто знати про те, як саме цю тему перевіряють на іспиті.

Що перевіряють

• Геоїд — реальна форма Землі, її розміри (радіус ≈ 6371 км, довжина екватора ≈ 40 000 км).

• Показники руху Землі навколо осі: напрямок, період (сонячна й зоряна доба), кутова й лінійна швидкість, нахил осі.

• Добова ритміка в географічній оболонці.

• Сила Коріоліса: напрямок відхилення в різних півкулях, дія на пасати, циклони, морські течії, річки.

Формат завдань

Зміст теми 1.3 перевіряють завданнями з вибором однієї правильної відповіді з чотирьох (тип А–Г). Такі завдання входять до перших 20 завдань тесту (1–20) і оцінюються в 1 бал кожне. У демоваріанті НМТ 2026 окремого завдання, де тема 1.3 була б основною, немає, однак її зміст може бути частиною комбінованих завдань.

Стратегія розв'язування

У задачах про відхилення рухомих тіл силою Коріоліса дотримуйся такого алгоритму:

1. Спершу визнач, у якій півкулі відбувається рух (Північній чи Південній).

2. Потім визнач напрямок руху тіла (на північ, на південь, на схід, на захід).

3. Лише після цього застосуй правило: у Північній півкулі — праворуч, у Південній — ліворуч.

Наприклад, якщо річка тече на північ у Північній півкулі, то правий берег — це східний берег, і сила Коріоліса підмиває саме його. Якщо ж річка тече на південь у Північній півкулі, правий берег — це західний берег.

Тут зібрано відповіді на найпоширеніші запитання, які виникають під час вивчення осьового обертання Землі.

• Земля обертається навколо своєї осі із заходу на схід. Період обертання — сонячна доба (24 год), зоряна доба — 23 год 56 хв 4 с. Кутова швидкість — 15° за годину (1° за 4 хв). Вісь нахилена до площини орбіти на 66,5°.

• Наслідки осьового обертання: зміна дня й ночі, добова ритміка в географічній оболонці, сила Коріоліса (відхилення рухомих тіл), сплюснутість Землі біля полюсів.

• Сила Коріоліса: у Північній півкулі тіла відхиляються праворуч, у Південній — ліворуч, на екваторі дорівнює нулю. Вона спричиняє підмивання правого берега річок у Північній півкулі (закон Бера), формування північно-східних і південно-східних пасатів, закручування циклонів та антициклонів.

• Лінійна швидкість обертання залежить від широти: найбільша на екваторі (≈ 465 м/с, або ≈ 1670 км/год), на полюсах дорівнює нулю. Кутова швидкість однакова для всіх точок (крім полюсів).

• Форма Землі — геоїд (фігура, обмежена поверхнею Світового океану, продовженою під материками). Наближена модель — еліпсоїд обертання. Середній радіус ≈ 6371 км, довжина екватора ≈ 40 000 км (точно 40 075 км). Полярний радіус на ≈ 21 км менший за екваторіальний.