Мы привыкли думать, что скорость вращения Земли равномерна и каждый оборот Земля делает вокруг своей оси за 23 часа 56 минут и 4 секунды.
Однако в начале нашего столетия это обстоятельство было подвергнуто сомнению. Непрерывно в течение 50 лет проводились наблюдения, причем оказалось, что Земля движется неравномерно. Установлено, что с 1900 по 1950 г. разность между равномерным временем и временем, определенным по скорости вращения Земли, составляла примерно 25 секунд. Но ученые установили также, что скорость вращения Земли не изменяется согласно какому-нибудь известному закону: она то убывает, то возрастает. Причем если изменения в суточной скорости вращения Земли настолько ничтожны, что ими можно пренебречь даже в самых точнейших расчетах, то уже с годичным изменением скорости ее вращения приходится в некоторых случаях считаться.
До сих пор причины этого явления не выяснены, и можно ожидать, что запуск на разные орбиты искусственных спутников Земли, обладающих различной скоростью, поможет выяснению этого вопроса.
Наблюдения ученых показали, что ось вращения Земли не направлена постоянно в какую-то точку пространства, а перемещается, описывая в пространстве коническую поверхность. Это явление называется прецессией.
Прецессирует земная ось очень медленно. Полный конус она описывает в течение 26 000 лет.
Одновременно она совершает также и колебания, называемые нутационными. Период нутационного колебания составляет около 18 лет.
Эти явления, а также причины, их вызывающие, известны науке давно, но более подробному их изучению могут способствовать полеты ИСЗ.
Известно также, что толщина земной коры неодинакова и что масса Земли распределена неравномерно. Это значит, что силы земного притяжения действуют также неравномерно. Подсчитано, что геометрический центр и центр тяжести Земли лежат друг от друга примерно на расстоянии 500 км. В условиях существования на Земле этот факт особого значения не имеет и даже не ощущается. Однако для космических полетов и в особенности для ИСЗ или для управляемых ракет дальнего действия он имеет большое значение, так как будет оказывать значительное влияние на орбиту спутника или ракеты. Вопрос этот очень мало изучен, и характер неравномерности распределения массы Земли можно будет установить тоже в результате наблюдения за первыми ИСЗ в полете по отклонению их от заранее рассчитанной орбиты.
ИСЗ позволит более детально изучить магнитное поле Земли и внести ясность в вопрос о его происхождении. Дело в том, что до последнего времени магнитное поле Земли изучалось лишь на поверхности Земли или на небольших высотах от ее поверхности. О напряженности земного магнитного поля и направлении магнитных силовых линий его на большем удалении от Земли данные отсутствовали. С помощью ИСЗ эти данные будут получены.
Математический анализ данных наземных магнитных измерений привел к выводу, что магнитное поле, наблюдаемое на поверхности Земли, состоит из двух частей: одной, вызванной источниками, находящимися внутри Земли, и другой — источниками, находящимися вне Земли.
Исследование суточных вариаций, магнитного поля Земли и связанных с ними явлений привело ученых к предположению, что внешнее магнитное поле может создаваться системами электрических токов вне поверхности Земли. Наиболее вероятным местом, где могут возникнуть такие токи, являются верхние проводящие слои земной атмосферы (ионосфера).
Предполагают также, что токи могут быть и за пределами ионосферы. Источником внеионосферных токов могут быть заряженные частицы — корпускулы, выброшенные из Солнца, захваченные магнитным полем Земли и вращающиеся вокруг Земли в плоскости ее магнитного экватора на расстоянии нескольких десятков тысяч километров от Земли. Внеионосферные токи усиливаются, когда Земля попадает в область интенсивных корпускулярных потоков, выброшенных из активных областей Солнца. Так возникают магнитные бури. Магнитное поле перемещает их в зоны полярных сияний и уменьшает интенсивность космических лучей.
Целью магнитных измерений на спутниках может быть проверка существования внеионосферных токов, получение данных об ионосферной системе токов и расширение наших знаний о главной части поля, создаваемой источниками поля внутри Земли. Измерениями на спутнике можно проверить, являются ли потоки солнечных частиц нейтральными или состоят из электрически заряженных частиц одного какого-либо знака.
Данные о поле, создаваемом внешними источниками, могут быть получены из сопоставления измеренных значений поля с теоретически вычисленными в предположении, что поле создается только источниками внутри Земли. Зная поле внешних источников на высотах, можно будет лучше оценить его роль в тех или иных геомагнитных эффектах. Не исключено, что в отдельных случаях эта роль может быть достаточно большой. В частности, возможно, что выявленное в последнее время несовпадение геомагнитных экваторов Земли, определяемых по данным наземных магнитных измерений и измерений интенсивности космических лучей, может быть вызвано действием на заряженные частицы космических лучей внешних источников поля.