В Северном полушарии полюс мира находится в настоящее время вблизи Полярной звезды.
Если ось вращения Земли не меняла бы своего положения относительно звезд, то полюсы мира оставались бы всегда на одном месте.
Полюс мира ничем не отмечен на небесной сфере, но он вполне точно определяется астрономическими наблюдениями. Если бы полюс мира передвинулся, это значило бы, что изменилось и направление в пространстве земной оси.
Как доказали астрономические наблюдения, полюс мира не остается на одном месте. Он медленно движется среди звезд вокруг полюса эклиптики — так называется точка пересечения перпендикуляра, восстановленного в центре орбиты Земли, с небесной сферой[18].
Следовательно, земная ось движется по конической поверхности с вершиной конуса в центре Земли. Это движение вполне подобно тому, которое совершает ось вращающегося волчка, отклоняемая силой тяжести. Таким же образом объясняется и движение земной оси.
Земля немного сжата у полюсов и вытянута вдоль экватора. Разность полярного и экваториального радиусов равна 21,5 километра. Можно представить себе фигуру Земли как шар, опоясанный по экватору кольцом.
Притяжение Луны поворачивает экваториальное кольцо Земли в плоскость лунной орбиты. Поэтому оно отклоняет и ось вращения Земли. Вследствие гироскопического эффекта экваториальное кольцо получает движение, в результате которого ось вращения Земли описывает поверхность конуса.
Круговое движение земной оси усложняется еще обращением Луны вокруг Земли. Во время этого обращения Луна то приближается к плоскости экватора, то удаляется от нее до 5° небесного меридиана.
Когда Луна находится в плоскости земного экватора, зависящее от Луны движение земной оси прекращается. При удалении Луны на наибольшее расстояние от плоскости земного экватора земная ось движется по конусу с наибольшей скоростью.
Подобным же образом влияет на положение земной оси вращение и притяжение Солнца. Но действие Солнца слабее действия Луны вследствие огромного расстояния, отделяющего от него Землю.
Если бы Земля вращалась около оси, относительно которой момент инерции ее имеет наибольшую величину, то вращение было бы очень устойчивым. Положение оси в теле Земли оставалось бы неизменным.
В действительности это не вполне верно.
Пересечения оси вращения с поверхностью Земли представляют собой ее географические полюсы. Если ось вращения не меняет положения в теле Земли, то не должно изменяться и положение на ней полюсов, а вместе с тем и географической широты каждого пункта земной поверхности.
Земная ось совершает движение по конусу с вершиной в центре Земли, подобно тому как это наблюдается у вращающегося волчка.
Впервые Эйлер, исходя из своей теории вращения твердого тела, указал, что если земная ось вращения не вполне точно совпадает с главной осью, то она должна понемногу менять свое положение в Земле.
В те времена, однако, нельзя было установить, меняется ли географическая широта, например, обсерваторий. Только во второй половине XIX века измерения достигли такой точности, что можно было проверить справедливость предположения Эйлера.
Путем точнейших и тщательных измерений астрономы доказали, что географическая широта обсерваторий действительно периодически немного меняется: причем когда у одного пункта она увеличивается, то у симметрично расположенного пункта по другую сторону полюса уменьшается. Эти движения полюсов невелики, и отклонение их от среднего положения не превышает 10 метров.
Перемещение полюсов доказывает, что ось вращения Земли меняет в ней свое положение. Значит, Земля вращается около оси, не вполне совпадающей с той, относительно которой момент инерции ее имеет наибольшую величину.
Вращение Земли оказывает влияние и на фигуру ее.
Если бы Земля не вращалась, то все ее частицы расположились бы вполне симметрично, и она имела бы форму шара. Вращение же заставило Землю сжаться у полюсов и вытянуться в плоскости экватора, приняв форму сжатого эллипсоида.
Впервые на сжатие Земли указал Ньютон. Он вывел теоретически и величину сжатия, то-есть отношение разности между экваториальным и полярным радиусами к большой полуоси.
Величина сжатия зависит от скорости вращения. Если бы угловая скорость вращения Земли увеличилась, то экваториальный радиус удлинился бы, а полярный укоротился. Проблемой зависимости фигуры Земли от угловой скорости ее вращения занимались многие математики и механики. Особенно важны исследования русского математика А. М. Ляпунова (1857–1918).
18
При движении земной оси по конусу меняется и положение плоскости экватора, причем точка весеннего равноденствия перемещается с востока на запад. Вследствие этого прямое восхождение всех звезд, отсчитываемое от этой точки, постоянно меняется на одну и ту же величину, что было замечено астрономами еще в древности.