Mitä jos joku kertoisi sinulle, että kuljeksit minä tahansa hetkenä reilusti äänen nopeuden ylittävällä nopeudella? Saattaisit pitää häntä hulluna, kun otetaan huomioon, että – parhaan käsityksesi mukaan – seisoit kiinteällä maalla etkä yliäänisuihkukoneen ohjaamossa. Väite on kuitenkin oikea. Millä tahansa hetkellä me kaikki liikumme noin 1 674 kilometrin tuntinopeudella, kiitos maapallon pyörimisnopeuden,
Määritelmän mukaan maapallon pyörimisnopeus on aika, joka maapallolta kuluu sen pyörimiseen kerran akselinsa ympäri. Tämä tapahtuu ilmeisesti kerran päivässä eli 24 tunnin välein. Tässä yhteydessä on kuitenkin otettava huomioon kaksi erilaista pyörimistä. Ensinnäkin on aika, joka Maapallolta kuluu siihen, että se kääntyy kerran akselinsa ympäri niin, että se palaa samaan asentoon muuhun maailmankaikkeuteen nähden. Sitten on se, kuinka kauan kestää, että Maa kääntyy niin, että Aurinko palaa samaan kohtaan taivaalla.
Aurinko- vs. tähtivuorokausi:
Kuten kaikki tiedämme, kestää tasan 24 tuntia, että Aurinko palaa samaan kohtaan taivaalla, mikä näyttäisi ilmeiseltä. 24 tuntia on se, mitä pidämme täydellisenä päivänä, ja aika, joka kuluu siirtymiseen päivästä yöhön ja takaisin. Todellisuudessa maapallolta menee kuitenkin 23 tuntia, 56 minuuttia ja 4,09 sekuntia kääntyä kerran akselinsa ympäri verrattuna taustatähtiin.
Miksi ero? No, se johtuisi siitä, että Maa kiertää Aurinkoa ja tekee yhden kierroksen reilussa 365 päivässä. Jos jaat 24 tuntia 365 päivällä, näet, että jäljelle jää noin 4 minuuttia päivässä. Toisin sanoen Maa pyörii akselinsa ympäri, mutta se myös kiertää Auringon ympäri, joten Auringon asema taivaalla kuroo kiinni 4 minuuttia joka päivä.
Aika, jonka Maa kiertää kerran akselinsa ympäri, tunnetaan nimellä tähtivuorokausi – joka on 23,9344696 tuntia. Koska tämäntyyppinen vuorokauden mittaaminen perustuu Maan sijaintiin suhteessa tähtiin, tähtitieteilijät käyttävät sitä ajanottojärjestelmänä seuratakseen, missä tähdet näkyvät yötaivaalla, lähinnä siksi, että he tietäisivät, mihin suuntaan teleskoopit kannattaa suunnata.
Aikaa, joka Auringolta kuluu auringon paluuseen samaan kohtaan taivaalla, kutsutaan aurinkovuorokaudeksi (solar day), joka on 24 tuntia. Tämä kuitenkin vaihtelee vuoden mittaan, ja kumulatiivinen vaikutus aiheuttaa kausittaisia poikkeamia, jotka ovat jopa 16 minuuttia keskiarvosta. Tämä johtuu kahdesta tekijästä, jotka ovat Maan elliptinen kiertorata Auringon ympäri ja sen aksiaalinen kallistus.
Kiertorata ja aksiaalinen kallistus:
Kuten Johannes Kepler totesi teoksessaan Astronomia Nova (1609), Maa ja Auringon planeetat eivät pyöri Auringon ympäri täydellisenä ympyränä. Tämä tunnetaan Keplerin ensimmäisenä lakina, jonka mukaan ”planeetan kiertorata Auringon ympäri on ellipsi, jonka yhdessä polttopisteessä on Auringon massakeskipiste”. Periheliossa (eli lähimmillään) se on 147 095 000 km:n päässä Auringosta, kun taas afeliossa se on 152 100 000 km:n päässä.
Tämä etäisyyden muutos tarkoittaa, että Maan kiertonopeus kasvaa, kun se on lähimpänä Aurinkoa. Vaikka sen nopeus on keskimäärin noin 29,8 km/s (18,5 mps) eli 107 000 km/h (66487 mph), se vaihtelee todellisuudessa kokonaisen kilometrin sekunnissa vuoden aikana – välillä 30,29 km/s ja 29.29 km/s (109,044 – 105,444 km/h; 67,756.8 – 65,519.864 mph).
Tällaisella nopeudella Auringolta kestää 24 tuntia – eli yhden aurinkopäivän – täydellinen kierto Maan akselin ympäri ja paluu meridiaanille (piste maapallolla, joka kulkee pohjoisesta etelään napojen kautta). Sekä Auringon että Maan pohjoisnapojen yläpuolella sijaitsevasta näköalapaikasta katsottuna Maa kiertää Auringon ympäri vastapäivään.
Tämän Maan kiertymisen Auringon ympäri eli Auringon prekessiossa päiväntasausten kautta on syynä siihen, että vuosi kestää noin 365,2 päivää. Tästä syystä tarvitaan myös joka neljäs vuosi yksi ylimääräinen päivä (29. helmikuuta jokaisena karkausvuonna). Lisäksi Maan pyörimisessä Auringon ympäri on pieni eksentrisyys (0,0167°), mikä tarkoittaa, että se on ajoittain lähempänä tai kauempana Auringosta tiettyinä vuodenaikoina.
Maan akseli on myös kallistunut noin 23,439° ekliptikkaa kohti. Tämä tarkoittaa, että kun Aurinko ylittää päiväntasaajan molempina päiväntasaajina, sen päivittäinen siirtymä suhteessa taustatähtiin on kulmassa päiväntasaajan suhteen. Kesä- ja joulukuussa, kun Aurinko on kauimpana taivaan päiväntasaajasta, tietty siirtymä ekliptikkaa pitkin vastaa suurta siirtymää päiväntasaajalla.
Siten näennäiset aurinkopäivät ovat lyhyempiä maalis- ja syyskuussa kuin kesä- tai joulukuussa. Pohjoisilla lauhkeilla leveysasteilla aurinko nousee kesäpäivänseisauksen aikaan pohjoiseen idästä ja laskee pohjoiseen lännestä, ja talvella se on päinvastoin. Eteläisen lauhkean vyöhykkeen kesällä Aurinko nousee todellisen idän eteläpuolelle ja laskee todellisen lännen eteläpuolelle.
Pyörimisnopeus:
Kuten aiemmin todettiin, maapallo pyörii melko nopeasti. Itse asiassa tutkijat ovat todenneet, että maapallon pyörimisnopeus päiväntasaajalla on 1674,4 km/h. Tämä tarkoittaa sitä, että jo pelkästään päiväntasaajalla seisomalla ihminen kulkisi ympyrässä äänen nopeuden ylittävällä nopeudella. Mutta aivan kuten päivän mittaaminen, myös Maan kiertoaika voidaan mitata kahdella eri tavalla.
Maan kiertoaika suhteessa kiintotähtiin tunnetaan nimellä ”tähtipäivä”, joka on 86 164,098903691 sekuntia keskimääräistä aurinkoaikaa (eli 23 tuntia, 56 minuuttia ja 4,0989 sekuntia). Maan kiertoaika suhteessa etenevään tai liikkuvaan kevätpäiväntasaukseen on puolestaan 23 tuntia 56 minuuttia ja 4,0905 sekuntia keskimääräistä aurinkoaikaa. Ei suuri ero, mutta ero kuitenkin.
Planeetan kiertoaika kuitenkin hidastuu hiukan ajan myötä, mikä johtuu Kuun vuorovesivaikutuksista Maan kiertoaikaan. Atomikellot osoittavat, että nykypäivä on noin 1,7 millisekuntia pidempi kuin sata vuotta sitten, mikä kasvattaa hitaasti UTC:n säätämisnopeutta karkaussekunneilla. Maan kierto kulkee myös lännestä kohti itää, minkä vuoksi Aurinko nousee idässä ja laskee lännessä.
Maailman muodostuminen:
Toinen mielenkiintoinen asia maapallon pyörimisessä on se, miten se kaikki sai alkunsa. Periaatteessa planeetan pyöriminen johtuu kaikkien niiden hiukkasten kulmavauhdista, jotka kokoontuivat yhteen luodakseen planeettamme 4,6 miljardia vuotta sitten. Sitä ennen Maa, Aurinko ja muu aurinkokunta olivat osa jättimäistä molekyylipilveä, joka koostui vedystä, heliumista ja muista raskaammista alkuaineista.
Kun pilvi luhistui alaspäin, kaikkien hiukkasten liikevoima sai pilven pyörimään. Maan nykyinen kiertoaika on seurausta tästä alkupyörimisestä ja muista tekijöistä, mukaan lukien vuorovesikitka ja hypoteettinen Theian törmäys – törmäys Marsin kokoisen kappaleen kanssa, jonka uskotaan tapahtuneen noin 4,5 miljardia vuotta sitten ja joka muodosti Kuun.
Tämän nopean pyörimisnopeuden ansiosta Maapallo saa myös muotonsa, sillä se litistyy litteäksi sfääriksi (eli pallon muotoiseksi). Tämä planeettamme erikoinen muoto tarkoittaa sitä, että päiväntasaajalla olevat pisteet ovat itse asiassa kauempana Maan keskipisteestä kuin navat.
Tutkimuksen historiaa:
Vanhoina aikoina tähtitieteilijät uskoivat luonnollisesti, että Maa oli kiinteä kappale kosmoksessa ja että Aurinko, Kuu, planeetat ja tähdet pyörivät kaikki sen ympärillä. Klassiseen antiikin aikaan filosofit ja tähtitieteilijät, kuten Aristoteles ja Ptolemaios, vakiinnuttivat tämän kosmologisiksi järjestelmiksi – jotka myöhemmin tunnettiin nimellä Ptolemaioksen malli (tai geosentrinen malli) maailmankaikkeudesta.
Antiikin aikana oli kuitenkin niitä, jotka kyseenalaistivat tämän konvention. Yksi kiistakysymys oli se, että maapallo ei ollut ainoastaan paikallaan, vaan että se ei pyörinyt. Esimerkiksi Aristarkhos Samosilainen (n. 310-230 eaa.) julkaisi aiheesta kirjoituksia, joita hänen aikalaisensa (kuten Arkhimedees) siteerasivat. Arkhimedeen mukaan Aristarkhos kannatti sitä, että Maa pyöri Auringon ympäri ja että maailmankaikkeus oli monin verroin suurempi kuin aiemmin luultiin.
Ja sitten oli Seleukis Seleukialainen (n. 190 – 150 eaa.), hellenistinen tähtitieteilijä, joka asui Lähi-idän Seleukidien valtakunnassa. Seleukos oli Aristarkhoksen heliosentrisen järjestelmän kannattaja, ja hän saattoi jopa todistaa sen oikeaksi laskemalla tarkasti planeettojen sijainnit ja maapallon kiertoliikkeen Maan ja Kuun ”massakeskipisteen” ympäri.
Keskiajan islamilaiset ja intialaiset oppineet haastaisivat myös geosentrisen maailmankaikkeusmallin. Esimerkiksi intialainen tähtitieteilijä Aaryabhata julkaisi vuonna 499 jKr. pääteoksensa Aryabhatiya, jossa hän ehdotti mallia, jossa maapallo pyöri akselinsa ympäri ja planeettojen jaksot annettiin suhteessa aurinkoon.
Kymmenennellä vuosisadalla elänyt iranilainen tähtitieteilijä Abu Sa’id al-Sijzi kiisti ptolemaiolaisen mallin väittämällä, että maapallo pyörii akselinsa ympäri, mikä selittäisi näennäisen vuorokausirytmin ja tähtien kiertoliikkeen maapalloon nähden. Samoihin aikoihin Abu Rayhan Biruni 973 – 1048) keskusteli mahdollisuudesta, että Maa pyörii oman akselinsa ympäri ja Auringon ympäri – vaikkakin hän piti tätä filosofisena eikä matemaattisena kysymyksenä.
Maraghan ja Ulugh Begin (eli Samarkandin) observatoriossa useat tähtitieteilijäsukupolvet keskustelivat Maapallon pyörimisestä 1300- ja 1400-luvun välisenä aikana, ja monet esitetyistä väitteistä ja todisteista muistuttivat Kopernikuksen käyttämiä. Samoihin aikoihin Nilakantha Somayaji julkaisi Aryabhatiyabhasyan (Aryabhatiyabhasyan kommentaarin), jossa hän kannatti osittain heliosentristä planeettamallia. Tätä seurasi vuonna 1500 Tantrasangraha, johon Somayaji sisällytti maapallon pyörimisen akselinsa ympäri.
1400-luvulla heliosentrismin ja liikkuvan maapallon näkökohdat alkoivat nousta esiin Euroopassa. Esimerkiksi ranskalainen filosofi piispa Nicole Oresme (n. 1320-1325 – 1382 jKr.) keskusteli mahdollisuudesta, että maapallo pyöri akselinsa ympäri. Suurimman vaikutuksen moderniin tähtitieteeseen teki kuitenkin puolalainen tähtitieteilijä Nikolaus Kopernikus, kun hän vuonna 1514 julkaisi ajatuksensa heliosentrisestä maailmankaikkeudesta lyhyessä tutkielmassaan Commentariolus (”Pieni kommentti”).
Kuten muutkin ennen häntä, Kopernikus nojautui kreikkalaisen tähtitieteilijän Atistarkhosin työhön sekä osoitti kunnioitusta Maragha-koulukunnalle ja useille islamilaisen maailman merkittäville filosofeille (ks. alla). Hänen malliinsa kuului olennaisesti se, että Maa ja kaikki muut planeetat pyörivät Auringon ympäri, mutta myös se, että Maa pyöri akselinsa ympäri ja että Kuu kiersi sitä.
Aikanaan ja Galileon ja Sir Isaac Newtonin kaltaisten tiedemiesten ansiosta planeettamme liikkeestä ja kiertoliikkeestä tuli hyväksytty tieteellinen konventio. Avaruusajan kynnyksellä, satelliittien ja atomikellojen käyttöönoton myötä emme ole ainoastaan vahvistaneet, että planeetta on jatkuvassa liikkeessä, vaan olemme pystyneet mittaamaan sen kiertorataa ja pyörimistä uskomattoman tarkasti.
Lyhyesti sanottuna maailma on pyörinyt alusta lähtien. Ja toisin kuin jotkut saattavat väittää, se on itse asiassa hidastumassa, vaikkakin uskomattoman hitaasti. Mutta tietysti siihen mennessä, kun se hidastuu merkittävästi, me olemme todennäköisesti lakanneet olemasta tai lipsahtaneet sen ”surullisista siteistä” ja meistä on tullut planeettojenvälinen laji.
Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita Maan liikkeistä täällä Universe Todayssä. Tässä ovat How Fast Does The Earth Rotate?, Earth’s Orbit Auringon ympäri, How Fast Does The Earth Rotate?, Why Does The Earth Spin?, What Would Happen If The Earth Stopped Spinning? ja What Is The Difference Between the Heliocentric and Geocentric Models Of The Solar System?
Jos haluat lisätietoa Maan pyörimisestä, tutustu NASA:n Aurinkosysteemi-oppaaseen maapallosta. Ja tässä on linkki NASAn maapallon observatorioon.
Olemme myös nauhoittaneet Astronomy Castin jakson, joka käsittelee maapalloa. Kuuntele täältä, jakso 51: Earth.