20 причин, по которым мы знаем, что Земля сферическая

Фотография AJ Colores на Unsplash

Пытаясь охватить все темы данного учебного плана, учителя часто уделяют больше внимания изложению результатов и теорем; в отличие от того, чтобы взять нас в путешествие, чтобы обнаружить, как наука была получена с помощью нетронутых идей, экспериментов и часто элегантной математики. Одна проблема, к которой это приводит, состоит в том, что мы в конечном итоге знаем несколько фактов и формул, не помня, как они были обнаружены или почему они верны.

Знания, которые существовали в течение нескольких лет, особенно подвержены восприятию как должное. Одним из таких примеров является знание, что Земля сферическая, а не плоская. В этой статье слово «сферический» используется слегка; точная форма Земли - сжатый сфероид, тип эллипсоида.

Наш размер относительно Земли слишком мал, чтобы заметить изгиб. Для крошечного существа, которое только что научилось ходить вокруг небольшой области Земли, не было бы никаких непосредственных указаний на то, что Земля круглая. Однако наши предки постепенно собирали доказательства, которые противоречили примитивному представлению о том, что Земля плоская. Эта статья - путешествие через все идеи и наблюдения, которые предполагают, что Земля сферическая.

1. Корабли и горизонт

Горизонт - это линия, на которой поверхность Земли и небо, кажется, встречаются. Когда отплывающие корабли исчезают за горизонтом, они делают это первыми. Вершина исчезает позже, что создает иллюзию, что корабль тонет. Точно так же, когда корабли появляются с горизонта, сначала появляется вершина, а затем остальная часть корабля.

2. Мы не можем видеть очень далеко

Допустим, вы стоите на западном побережье Северной Америки в ясный день. Хотя вы можете видеть солнце и луну на небе, которые находятся довольно далеко, вы не сможете увидеть Японию, если посмотрите на запад. Причина, по которой вы не можете видеть это далеко на Земле, заключается в том, что свет распространяется по прямой линии и, следовательно, не может следовать кривой Земли.

3. Видимость и возвышенности

Многие моряки знают о том, что возвышенные участки земли видны на больших расстояниях, чем менее возвышенные. Более того, если кто-то стоит на возвышенности, он может видеть вдаль вдаль по сравнению с тем, если он стоит на меньшей высоте. Кривизна Земли ответственна за эти наблюдения.

4. Другие планеты сферические

Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн можно увидеть невооруженным глазом. В 1781 году Уильям Гершель использовал свой телескоп для наблюдения за движением Урана и обнаружил, что это была планета, а не звезда, как считалось ранее. Основываясь на небольших возмущениях на орбите Урана, было предсказано, что существует более отдаленная планета. В 1846 году Нептун был открыт как планета (ранее считалось, что это звезда). Если другие планеты в нашей солнечной системе могут быть сферическими, почему наша должна быть другой?

5. Большинство вещей сферические

Сферичны не только планеты, но и звезды и луны. На самом деле силы природы таковы, что объекты стремятся сформироваться в сферы, будь то небесные тела или просто мыльные пузыри. В случае мыльных пузырей поверхностное натяжение, которое хочет сделать пузырь меньше во всех направлениях, вызывает сферическую форму. В случае космических объектов именно гравитация пытается разрушить материю во всех направлениях, поскольку все атомы притягиваются к общему центру гравитации.

Если сферический объект вращается, вращение сглаживает середину, делая сферу шире поперек экватора и уже поперек полюсов. Это связано с тем, что в случае быстрого вращения центростремительная сила преодолевает гравитационное притяжение, пытаясь создать сферическую форму. Земля - ​​пример этого, следовательно, сжатая форма сфероида. Юпитер - самая быстро вращающаяся планета в нашей солнечной системе, и поэтому она более плоская, чем Земля. Солнце вращается медленно, но есть другие звезды, которые вращаются быстро и также имеют сплюснутые формы. Быстрое вращение также является причиной того, что аккреционные диски в черных дырах, солнечные системы и галактики демонстрируют сплюснутые формы дисков.

6. Изменение температуры от экватора к полюсам

Земля наклонена на 23,5 градуса относительно Солнца. Северное полушарие наклонено к солнцу на 6 месяцев, а южное полушарие наклонено, и наоборот. Следовательно, в то время как экваториальные районы получают прямой солнечный свет круглый год, полярные районы проводят половину года вдали от солнца. Эта разница в воздействии солнечного света приводит к повышению температуры ближе к экватору.

Наклон Земли также объясняет чрезвычайную продолжительность дня и ночи в полярных точках. В то время как продолжительность дня на экваторе почти всегда равна 12 часам из-за того, что экватор всегда получает прямой солнечный свет, на длину дня и ночи на полюсах влияет положение Земли относительно солнца.

Наклон Земли также является причиной того, что существует четыре сезона, и что по мере приближения к экватору интенсивность сезонов уменьшается до тех пор, пока они полностью не исчезнут прямо на экваторе.

7. Земля вращается вокруг Солнца

Идея о том, что Земля вращается вокруг Солнца, была впервые предложена в 3 веке до нашей эры Аристархом Самосским. К тому времени древние греки уже выяснили, что Земля круглая, и даже рассчитали размер Земли, а также ее расстояние от Солнца и Луны. Однако тот факт, что Земля вращается вокруг Солнца, позволяет нам сделать несколько выводов о том, что Земля должна быть сферической. Например, солнце встает и садится. Поскольку солнце не движется относительно Земли, сама Земля должна вращаться вокруг своей оси, чтобы был возможен дневной и ночной цикл. Чтобы Земля вращалась таким образом, она должна быть круглой.

8. Тени палочек

Палочки, расположенные вертикально в земле в отдаленных местах, имеют тени различной длины. Древние греки первыми сравнили тени палочек в разных местах. Например, они обнаружили, что когда солнце находилось прямо над головой в одном месте, палка там почти не отбрасывала тени. В то же время в другом городе палка отбрасывала тень. Если бы Земля была плоской, обе палочки имели бы одинаковую тень, потому что они были бы под одним углом к ​​Солнцу. Мало того, что древние греки пришли к выводу, что Земля должна быть круглой, они также использовали измерения тени, чтобы вычислить окружность Земли с приличной точностью.

9. Приливы

Гравитационное притяжение Луны заставляет океаны выпирать в направлении Луны. Выпуклость возникает как на стороне, обращенной к луне, так и на противоположной стороне. Хотя может быть не сразу понятно, почему на стороне, противоположной луне, имеется выпуклость, причина в том, что сама Земля также тянется к луне и, следовательно, от воды на противоположной стороне. Поскольку это происходит во время вращения Земли, возникают приливы. В частности, это приводит к двум (приливным) приливам каждый день. Конечно, это могло произойти, только если Земля была сферической.

10. Кориолисовый эффект

Земля вращается на экваторе быстрее, чем на полюсах. Это потому, что Земля шире на экваторе, поэтому точка на экваторе должна перемещаться дальше в течение определенного периода времени по сравнению с точкой, вращающейся на полюсе.

Допустим, вы установили оружие на Северном полюсе, которое направлено на цель где-то на экваторе. Если мы предположим, что пистолет является совершенно точным, генерирует достаточно энергии, чтобы пуля достигла экватора, что на пути нет препятствий и ветра нет, попадет ли пуля в цель? Возможно нет. Поскольку цель находится на экваторе, она движется быстрее, чем пистолет, и пуля, вероятно, приземлится в сторону от намеченной цели. Это видимое отклонение является эффектом Кориолиса.

Ветер как пуля. По-видимому, он изгибается вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии. Поэтому в северном полушарии ураганы и другие штормы вращаются против часовой стрелки, а в южном полушарии - по часовой стрелке.

Пилоты знают об эффекте Кориолиса и учитывают его при составлении плана полетов на дальние расстояния. Это означает, что большинство самолетов не летают по прямым линиям от пункта отправления до пункта назначения.

Эффект Кориолиса также играет роль в существовании магнитного поля Земли. Магнитные поля, создаваемые потоком жидкого железа в ядре Земли, примерно совпадают в одном направлении из-за эффекта Кориолиса, который приводит к образованию одного обширного магнитного поля, пронизывающего Землю.

Следовательно, магнитное поле Земли и другие последствия эффекта Кориолиса, такие как направление потока систем ветра в Северном и Южном полушарии, являются свидетельствами сферической формы Земли.

11. Гравитация

Если бы Земля была плоской плоскостью, ее центр масс был бы центром плоскости, и сила тяжести притянет все на поверхности в этом направлении. Это означает, что если вы стоите около края плоскости, гравитация будет тянуть вас в сторону к середине плоскости.

12. Вариации в гравитационном поле Земли

Гравитация Земли немного слабее на экваторе, чем на полюсах. Для этого есть две причины. Во-первых, поскольку точка на экваторе вращается быстрее, чем точка на полюсе, внешняя центростремительная сила на широтах вблизи экватора больше и больше противодействует гравитации Земли. Вторая причина заключается в том, что экваториальный выпуклость Земли (сама также вызванная центростремительной силой) заставляет объекты на экваторе находиться дальше от центра Земли, чем объекты на полюсе, а гравитационное притяжение между двумя объектами обратно пропорционально квадрату. расстояния между ними.

Изменения гравитационного притяжения Земли можно измерить и предоставить конкретные доказательства формы Земли.

13. Тень Земли

Во время лунного затмения Солнце, Земля и Луна выровнены так, что тень Земли падает на Луну. Было замечено, что тень Земли изогнута, как и планета.

14. Разные созвездия на разных широтах

В любой точке Земли в данный момент времени будет видна около половины возможного неба. Если вы находитесь точно на Северном или Южном полюсе, небо будет вращаться вокруг вас, и вы не увидите новых звезд с течением времени. Для любых других точек на Земле видимые созвездия меняются по мере вращения Земли. Однако созвездия, которые находятся слишком далеко на севере или юге, не могут быть видны с противоположного полушария, потому что они всегда будут ниже горизонта. Созвездия, которые можно увидеть как выше, так и ниже экватора, такие как Орион, кажутся перевернутыми, когда вы пересекаете с одной стороны экватора на другую.

Первым человеком, который заметил это различие в видимых созвездиях и использовал его, чтобы сделать вывод, что Земля должна быть круглой, был Аристотель (384–322 до н.э.).

15. Двойной закат

Можно засвидетельствовать закат солнца дважды в тот же день. Один из способов сделать это - лечь на открытое поле, посмотреть, как садится солнце, а затем быстро взойти, и вы заметите, что оно не зашло полностью с этой более высокой высоты. Вы также можете взять с собой друга. Один из вас ложится, а другой стоит, и оба пытаются угождать, когда солнце садится. Человек, стоящий на ногах, заработал бы немного позже.

Для более драматического эффекта, вы можете пойти к основанию высокой башни, такой как Бурдж Халифа в Дубае. Наблюдайте за закатом, затем быстро поднимитесь на лифте на максимально высокий этаж, открытый для туристов (лифты движутся со скоростью 10 м / с). Вы должны снова увидеть закат.

Этот двойной закат, конечно, был бы возможен, только если бы Земля была сферической. Обратный эксперимент также можно проводить на рассвете.

16. Карты - это 2D проекции

Невозможно сплющить апельсиновую корку, не повредив ее каким-либо образом (разрыв, растяжение и т. Д.). Точно так же невозможно создать 2D-карту Земли, не внося искажений в форме, расстоянии, направлении или площади суши. По этой причине существует несколько картографических проекций Земли, таких как проекции Меркатора, Галла-Петерса и Робинсона. Если бы Земля была плоской, создание карты мира было бы намного проще.

17. Мы можем путешествовать по всему миру

Первым глобальным кругосветным плаванием в истории была экспедиция португальского исследователя Магеллана и его команды, завершенная в 1522 году. В то время как 223 из первоначальных 241 человека или около того, отправившихся в путешествие, погибли, включая самого Магеллана, несколько оставшихся членов экипажа успешно вернулся в Испанию после кругосветного путешествия.

Сегодня самые быстрые военные самолеты способны совершить кругосветное плавание менее чем за 10 часов.

18. У нас есть фотографические доказательства

Первые снимки Земли из космоса были сделаны на высоте более 160 км в 1947 году с использованием захваченных немецких ракет V-2 времен Второй мировой войны. В 2018 году НАСА выпустило снимок Земли и Луны, снятый с расстояния более 63 миллионов километров, на котором Земля и Луна показаны в виде изолированных ярких точек.

19. Показания достоверны

Мы можем полагаться на тот факт, что ни один картограф, географ или физик никогда не делает паузу, думая, что Земля может быть плоской. На самом деле, Фогель отмечает, что, начиная с 8-го века, «ни один космограф, достойный внимания, не ставит под сомнение сферичность Земли».

20. Физика управляет всем вокруг меня

Полеты, GPS, спутники и другие современные технологии работают благодаря нашему пониманию формы и размеров Земли с необычайной точностью. Если бы мы ошибались относительно даже мельчайших деталей в наших измерениях Земли, мы бы узнали.