Wat als iemand je zou vertellen dat je op een bepaald moment met een snelheid reist die ver boven de geluidssnelheid ligt? U zou denken dat u gek was, aangezien u – voor zover u wist – op vaste grond stond, en niet in de cockpit van een supersonisch vliegtuig. Toch is de verklaring correct. Op elk gegeven moment bewegen we allemaal met een snelheid van ongeveer 1674 kilometer per uur, dankzij de rotatie van de Aarde,
Per definitie is de rotatie van de Aarde de hoeveelheid tijd die zij nodig heeft om eenmaal rond haar as te draaien. Dit gebeurt kennelijk eenmaal per dag – dat wil zeggen elke 24 uur. Maar er zijn eigenlijk twee verschillende soorten rotatie die hier in aanmerking moeten worden genomen. Ten eerste is er de tijd die de aarde nodig heeft om eenmaal om haar as te draaien, zodat zij weer dezelfde oriëntatie heeft ten opzichte van de rest van het heelal. Dan is er de tijd die de aarde nodig heeft om te draaien zodat de zon weer op dezelfde plaats aan de hemel staat.
Zonnedag vs. Sterrendag:
Zoals we allemaal weten, doet de zon er precies 24 uur over om weer op dezelfde plaats aan de hemel te staan, wat voor de hand lijkt te liggen. 24 uur is wat wij beschouwen als een volledige dag, en de tijd die nodig is voor de overgang van dag naar nacht en weer terug. Maar in werkelijkheid doet de Aarde er 23 uur, 56 minuten en 4,09 seconden over om eenmaal rond haar as te draaien in vergelijking met de achtergrondsterren.
Waarom dat verschil? Dat komt omdat de aarde rond de zon draait en één baan aflegt in iets meer dan 365 dagen. Als je 24 uur deelt door 365 dagen, zie je dat je ongeveer 4 minuten per dag overhoudt. Met andere woorden, de aarde draait om haar as, maar draait ook om de zon, dus de positie van de zon aan de hemel haalt elke dag 4 minuten in.
De tijd die de aarde nodig heeft om eenmaal om haar as te draaien, staat bekend als een sterrendag – die 23,9344696 uur bedraagt. Omdat dit type dagmeting gebaseerd is op de positie van de aarde ten opzichte van de sterren, gebruiken astronomen het als tijdmeting om bij te houden waar sterren ’s nachts aan de hemel zullen staan, vooral om te weten in welke richting ze hun telescopen moeten richten.
De tijd die de zon nodig heeft om weer op dezelfde plek aan de hemel te staan wordt een zonnedag genoemd, die 24 uur duurt. Dit varieert echter in de loop van het jaar, en het gecumuleerde effect geeft seizoensafwijkingen tot 16 minuten van het gemiddelde. Dit wordt veroorzaakt door twee factoren, waaronder de elliptische baan van de Aarde rond de Zon en haar axiale schuinte.
Baan en axiale schuinte:
Zoals Johannes Kepler in zijn Astronomia Nova (1609) verklaarde, draaien de Aarde en de Zonneplaneten niet in volmaakte cirkels rond de Zon. Dit staat bekend als de Eerste Wet van Kepler, die stelt dat “de baan van een planeet om de Zon een ellips is met het massamiddelpunt van de Zon in één brandpunt”. Op perihelium (d.w.z. het dichtst bij de zon) is hij 147.095.000 km van de zon verwijderd; terwijl hij op aphelium 152.100.000 km verwijderd is.
Deze verandering in afstand betekent dat de omloopsnelheid van de aarde toeneemt wanneer hij het dichtst bij de zon is. Terwijl haar snelheid gemiddeld ongeveer 29,8 km/s (18,5 mps) of 107.000 km/h (66487 mph) bedraagt, varieert zij in feite met een volle km per seconde in de loop van het jaar – tussen 30,29 km/s en 29.29 km/s (109,044 – 105,444 km/h; 67,756.8 – 65,519.864 mph).
In dit tempo doet de zon er het equivalent van 24 uur over – d.w.z. één zonnedag – om een volledige omwenteling om de aardas te voltooien en terug te keren naar de meridiaan (een punt op de wereldbol dat van noord naar zuid door de polen loopt). Gezien vanaf het gezichtspunt boven de noordpolen van zowel de Zon als de Aarde draait de Aarde tegen de klok in om de Zon.
De draaiing van de Aarde om de Zon, of de precessie van de Zon door de equinoxen, is de reden dat een jaar ongeveer 365,2 dagen duurt. Het is ook om deze reden dat elke vier jaar een extra dag nodig is (een 29e februari tijdens elk schrikkeljaar). Ook is de draaiing van de Aarde om de Zon onderhevig aan een kleine excentriciteit van (0,0167°), wat betekent dat zij periodiek dichter of verder van de Zon staat op bepaalde tijden van het jaar.
De as van de Aarde helt ook ongeveer 23,439° naar de ecliptica. Dit betekent dat wanneer de Zon op beide equinoxen de evenaar kruist, haar dagelijkse verschuiving ten opzichte van de achtergrondsterren onder een hoek ten opzichte van de evenaar staat. In juni en december, wanneer de zon het verst van de hemelevenaar staat, komt een gegeven verschuiving langs de ecliptica overeen met een grote verschuiving aan de evenaar.
Zo zijn de schijnbare zonnedagen in maart en september korter dan in juni of december. In noordelijke gematigde breedten komt de zon tijdens de zomerzonnewende op ten noorden van het ware oosten, en gaat onder ten noorden van het ware westen, in de winter omgekeerd. In de zuidelijke gematigde breedten komt de Zon in de zomer ten zuiden van het ware oosten op, en gaat ten zuiden van het ware westen onder.
Rotatiesnelheid:
Zoals eerder gezegd, draait de Aarde tamelijk snel rond. Wetenschappers hebben vastgesteld dat de omwentelingssnelheid van de aarde aan de evenaar 1.674,4 km/u bedraagt. Dit betekent dat alleen al door op de evenaar te staan, een persoon al met een snelheid zou reizen die hoger is dan de geluidssnelheid in een cirkel. Maar net als het meten van een dag, kan de rotatie van de Aarde op twee verschillende manieren gemeten worden.
De rotatieperiode van de Aarde ten opzichte van de vaste sterren staat bekend als een “sterrendag”, die 86.164,098903691 seconden gemiddelde zonnetijd is (of 23 uur, 56 minuten en 4,0989 seconden). De rotatieperiode van de aarde ten opzichte van het voorbijdrijvende of bewegende lentepunt is 23 uur 56 minuten en 4,0905 seconden zonnetijd. Geen groot verschil, maar toch een verschil.
De planeet vertraagt echter enigszins met het verstrijken van de tijd, vanwege de getijdenwerking die de Maan heeft op de draaiing van de Aarde. Atoomklokken geven aan dat een moderne dag ongeveer 1,7 milliseconden langer is dan een eeuw geleden, waardoor de UTC langzaam wordt aangepast met schrikkelseconden. De draaiing van de Aarde gaat ook van het westen naar het oosten, daarom komt de Zon op in het oosten en gaat onder in het westen.
De vorming van de aarde:
Een ander interessant gegeven over de rotatie van de aarde is hoe het allemaal begonnen is. In principe is de draaiing van de planeet het gevolg van het impulsmoment van alle deeltjes die 4,6 miljard jaar geleden bij elkaar kwamen om onze planeet te vormen. Daarvoor maakten de Aarde, de Zon en de rest van het Zonnestelsel deel uit van een reusachtige moleculaire wolk van waterstof, helium en andere zwaardere elementen.
Toen de wolk ineenstortte, zette het momentum van alle deeltjes de wolk aan het draaien. De huidige rotatieperiode van de Aarde is het resultaat van deze initiële rotatie en andere factoren, waaronder getijdenwrijving en de hypothetische inslag van Theia – een botsing met een object ter grootte van Mars die ongeveer 4,5 miljard jaar geleden zou hebben plaatsgevonden en de Maan zou hebben gevormd.
Deze snelle rotatie is ook wat de Aarde haar vorm geeft, door haar af te vlakken tot een afgeplatte sferoïde (of wat lijkt op een samengeperste bal). Deze bijzondere vorm van onze planeet betekent dat punten langs de evenaar in feite verder van het middelpunt van de aarde liggen dan aan de polen.
Geschiedenis van de studie:
In de oudheid geloofden astronomen natuurlijk dat de aarde een vast lichaam in de kosmos was, en dat de zon, de maan, de planeten en de sterren er allemaal omheen draaiden. In de klassieke oudheid werd dit door filosofen en astronomen als Aristoteles en Ptolemaeus geformaliseerd in kosmologische systemen – die later bekend kwamen te staan als het Ptolemaeïsche Model (of Geocentrische Model) van het heelal.
Echter waren er in de oudheid mensen die deze conventie in twijfel trokken. Een punt van geschil was het feit dat de Aarde niet alleen vast stond, maar ook niet draaide. Aristarchus van Samos (ca. 310 – 230 v. Chr.) publiceerde bijvoorbeeld geschriften over dit onderwerp die door zijn tijdgenoten (zoals Archimedes) werden aangehaald. Volgens Archimedes geloofde Aristarchus dat de Aarde rond de Zon draaide en dat het heelal vele malen groter was dan eerder werd gedacht.
En dan was er nog Seleucis van Seleucia (ca. 190 – 150 v. Chr.), een Hellenistische astronoom die leefde in het Seleucidische rijk in het Nabije Oosten. Seleucus was een voorstander van het heliocentrische systeem van Aristarchus, en heeft misschien zelfs bewezen dat het waar was door de posities van de planeten en de omwenteling van de Aarde rond het ‘massamiddelpunt’ Aarde-Maan nauwkeurig te berekenen.
Het geocentrische model van het heelal zou ook worden aangevochten door middeleeuwse islamitische en Indiase geleerden. Zo publiceerde de Indiase astronoom Aaryabhata in 499 zijn magnum opus Aryabhatiya, waarin hij een model voorstelde waarin de Aarde om haar as draaide en de perioden van de planeten werden gegeven ten opzichte van de Zon.
De 10e-eeuwse Iraanse astronoom Abu Sa’id al-Sijzi weersprak het Ptolemaeïsche model door te beweren dat de Aarde om haar as draaide, waarmee hij de schijnbare dagcyclus en de draaiing van de sterren ten opzichte van de Aarde verklaarde. In ongeveer dezelfde tijd besprak Abu Rayhan Biruni (973-1048) de mogelijkheid dat de Aarde om haar eigen as en om de Zon draait – maar hij beschouwde dit als een filosofische kwestie en niet als een wiskundige.
In het observatorium van Maragha en Ulugh Beg (aka. Samarkand) werd de rotatie van de Aarde tussen de 13e en 15e eeuw door verschillende generaties astronomen besproken, en veel van de aangevoerde argumenten en bewijzen leken op die van Copernicus. Het was ook in deze tijd dat Nilakantha Somayaji de Aryabhatiyabhasya (een commentaar op de Aryabhatiya) publiceerde, waarin hij een gedeeltelijk heliocentrisch planetenmodel bepleitte. Dit werd in 1500 gevolgd door de Tantrasangraha, waarin Somayaji de draaiing van de Aarde om haar as opnam.
In de 14e eeuw begonnen aspecten van heliocentrisme en een bewegende Aarde in Europa op te komen. De Franse filosoof bisschop Nicole Oresme (ca. 1320-1325 tot 1382 CE) besprak bijvoorbeeld de mogelijkheid dat de Aarde om haar as draaide. Het was echter de Poolse astronoom Nicolaus Copernicus die de grootste invloed had op de moderne astronomie toen hij in 1514 zijn ideeën over een heliocentrisch heelal publiceerde in een korte verhandeling met de titel Commentariolus (“Kleine Commentaar”).
Net als anderen voor hem bouwde Copernicus voort op het werk van de Griekse astronoom Atistarchus, en bracht hij ook hulde aan de Maragha-school en verschillende opmerkelijke filosofen uit de islamitische wereld (zie hieronder). Inherent aan zijn model was het feit dat de Aarde, en alle andere planeten, rond de Zon draaiden, maar ook dat de Aarde om haar as draaide en door de Maan werd gedraaid.
Na verloop van tijd, en dankzij wetenschappers als Galileo en Sir Isaac Newton, zouden de beweging en omwenteling van onze planeet een geaccepteerde wetenschappelijke conventie worden. Met de komst van het ruimtetijdperk, de inzet van satellieten en atoomklokken, hebben we niet alleen bevestigd dat de aarde constant in beweging is, maar zijn we ook in staat geweest om de omloopbaan en rotatie met ongelooflijke nauwkeurigheid te meten.
Kortom, de wereld draait al sinds haar ontstaan rond. En, in tegenstelling tot wat sommigen zouden kunnen beweren, gaat hij wel degelijk langzamer draaien, zij het in een ongelooflijk traag tempo. Maar natuurlijk, tegen de tijd dat het aanzienlijk vertraagt, zullen we waarschijnlijk hebben opgehouden te bestaan, of zijn we ontsnapt aan zijn “bikkelachtige banden” en zijn we een interplanetaire soort geworden.
We hebben veel interessante artikelen geschreven over de bewegingen van de Aarde hier op Universe Today. Hier is hoe snel draait de aarde, hoe snel draait de aarde, waarom draait de aarde, wat zou er gebeuren als de aarde niet meer draait en wat is het verschil tussen het heliocentrische en geocentrische model van het zonnestelsel?
Als je meer informatie wilt over de draaiing van de aarde, kijk dan eens naar NASA’s Solar System Exploration Guide over de aarde. En hier is een link naar NASA’s Earth Observatory.
We hebben ook een aflevering van Astronomy Cast opgenomen die helemaal over de Aarde gaat. Luister hier, Aflevering 51: Earth.