Co by było, gdyby ktoś powiedział ci, że w danym momencie podróżowałeś z prędkością znacznie przekraczającą prędkość dźwięku? Mógłbyś pomyśleć, że to wariat, biorąc pod uwagę, że – na tyle, na ile mogłeś to stwierdzić – stałeś na twardej ziemi, a nie w kokpicie naddźwiękowego odrzutowca. Niemniej jednak, stwierdzenie to jest prawdziwe. W każdej chwili, wszyscy poruszamy się z prędkością około 1674 kilometrów na godzinę, dzięki obrotowi Ziemi,
Z definicji, obrót Ziemi to ilość czasu, jaką zajmuje jej jednokrotne obrócenie się wokół własnej osi. Jest to, pozornie, dokonywane raz na dobę – czyli co 24 godziny. Jednak w rzeczywistości istnieją dwa różne rodzaje rotacji, które należy tutaj rozważyć. Po pierwsze, jest to czas potrzebny Ziemi na obrócenie się raz wokół własnej osi, tak aby powróciła do tej samej orientacji w stosunku do reszty Wszechświata. Wtedy jest jak długo to trwa dla Ziemi aby obrócić się tak, że Słońce wraca do tego samego miejsca na niebie.
Solar vs. Sidereal Day:
Jak wszyscy wiemy, to trwa dokładnie 24 godziny dla Słońca aby powrócić do tego samego miejsca na niebie, co wydaje się oczywiste. 24 godziny to czas, który uważamy za pełny dzień i czas potrzebny na przejście od dnia do nocy i z powrotem. Ale tak naprawdę to zajmuje Ziemi 23 godziny, 56 minut i 4,09 sekundy, aby obrócić się raz na swojej osi w porównaniu do gwiazd tła.
Dlaczego ta różnica? Dobrze, że byłoby, ponieważ Ziemia jest orbitowanie wokół Słońca, kończąc jedną orbitę w nieco ponad 365 dni. Jeśli podzielisz 24 godziny przez 365 dni, zobaczysz, że pozostały Ci około 4 minuty na dzień. Innymi słowy, Ziemia obraca się wokół własnej osi, ale również krąży wokół Słońca, więc pozycja Słońca na niebie nadrabia 4 minuty każdego dnia.
Czas potrzebny na to, by Ziemia obróciła się raz wokół własnej osi znany jest jako dzień gwiazdowy – który wynosi 23,9344696 godzin. Ponieważ ten rodzaj pomiaru dnia oparty jest na położeniu Ziemi względem gwiazd, astronomowie używają go jako systemu pomiaru czasu, aby śledzić, gdzie gwiazdy pojawią się na nocnym niebie, głównie po to, aby wiedzieć, w którym kierunku skierować swoje teleskopy.
Czas potrzebny Słońcu na powrót w to samo miejsce na niebie nazywany jest dniem słonecznym, który wynosi 24 godziny. Jednak zmienia się on w ciągu roku, a skumulowany efekt powoduje sezonowe odchylenia do 16 minut od średniej. Jest to spowodowane przez dwa czynniki, które obejmują eliptyczną orbitę Ziemi wokół Słońca i jej pochylenie osiowe.
Orbita i pochylenie osiowe:
Jak Johannes Kepler stwierdził w swojej Astronomia Nova (1609), Ziemia i planety słoneczne nie obracają się wokół Słońca w idealnych okręgach. Jest to znane jako Pierwsze Prawo Keplera, które stwierdza, że „orbita planety wokół Słońca jest elipsą ze środkiem masy Słońca w jednym ognisku”. W peryhelium (tj. najbliżej) jest 147 095 000 km (91 401 000 mi) od Słońca, podczas gdy w aphelium jest 152 100 000 km (94 500 000 mi).
Ta zmiana w odległości oznacza, że prędkość orbitalna Ziemi wzrasta, gdy jest najbliżej Słońca. Podczas gdy jej prędkość wynosi średnio około 29,8 km/s (18,5 mps) lub 107 000 km/h (66487 mph), w rzeczywistości waha się ona o cały kilometr na sekundę w ciągu roku – pomiędzy 30,29 km/s a 29.29 km/s (109,044 – 105,444 km/h; 67,756.8 – 65,519.864 mph).
W tym tempie, to zajmuje Słońcu równowartość 24 godzin – tj. jeden dzień słoneczny – aby zakończyć pełny obrót wokół osi Ziemi i wrócić do południka (punkt na kuli ziemskiej, który biegnie z północy na południe przez bieguny). Patrząc z punktu widokowego ponad północnymi biegunami zarówno Słońca jak i Ziemi, Ziemia krąży wokół Słońca w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.
Ten obrót Ziemi wokół Słońca, lub precesja Słońca przez równonoce, jest powodem, dla którego rok trwa w przybliżeniu 365,2 dni. To jest także z tego powodu, że co cztery lata, dodatkowy dzień jest wymagany (29 lutego podczas każdego roku przestępnego). Ponadto, obrót Ziemi wokół Słońca podlega niewielkiemu mimośrodowi (0,0167°), co oznacza, że jest ona okresowo bliżej lub dalej od Słońca w pewnych porach roku.
Oś Ziemi jest również nachylona pod kątem około 23,439° w kierunku ekliptyki. Oznacza to, że kiedy Słońce przecina równik przy obu równonocach, jego dzienne przesunięcie w stosunku do gwiazd tła jest pod kątem do równika. W czerwcu i grudniu, kiedy Słońce jest najdalej od równika niebieskiego, dane przesunięcie wzdłuż ekliptyki odpowiada dużemu przesunięciu na równiku.
Więc pozorne dni słoneczne są krótsze w marcu i wrześniu niż w czerwcu czy grudniu. W północnych umiarkowanych szerokościach geograficznych, Słońce wschodzi na północ od prawdziwego wschodu podczas letniego przesilenia i zachodzi na północ od prawdziwego zachodu, odwracając się w zimie. Słońce wschodzi na południe od prawdziwego wschodu latem dla południowej strefy umiarkowanej i zachodzi na południe od prawdziwego zachodu.
Prędkość obrotowa:
Jak stwierdzono wcześniej, Ziemia obraca się dość szybko. W rzeczywistości naukowcy ustalili, że prędkość obrotowa Ziemi na równiku wynosi 1,674.4 km/h. Oznacza to, że po prostu stojąc na równiku, człowiek już podróżowałby z prędkością przekraczającą prędkość dźwięku po okręgu. Ale podobnie jak pomiar dnia, obrót Ziemi może być mierzony na jeden z dwóch różnych sposobów.
Okres obrotu Ziemi względem gwiazd stałych jest znany jako „dzień gwiazdowy”, który wynosi 86 164,098903691 sekund średniego czasu słonecznego (lub 23 godziny, 56 minut i 4,0989 sekundy). Okres obrotu Ziemi w stosunku do precesującej lub ruchomej średniej równonocy wiosennej wynosi natomiast 23 godziny 56 minut i 4,0905 sekundy średniego czasu słonecznego. Nie jest to duża różnica, ale jednak różnica.
Jednakże planeta spowalnia nieco z upływem czasu, z powodu efektów pływowych, jakie Księżyc ma na rotacji Ziemi. Zegary atomowe pokazują, że współczesny dzień jest dłuższy o około 1,7 milisekundy niż sto lat temu, co powoli zwiększa tempo, w jakim UTC jest korygowane o sekundy przestępne. Rotacja Ziemi również przebiega z zachodu na wschód, dlatego Słońce wschodzi na wschodzie i zachodzi na zachodzie.
Formacja Ziemi:
Inną interesującą rzeczą dotyczącą obrotu Ziemi jest to, jak to wszystko się zaczęło. Zasadniczo obrót planety jest spowodowany momentem pędu wszystkich cząsteczek, które połączyły się, aby stworzyć naszą planetę 4,6 miliarda lat temu. Przedtem Ziemia, Słońce i reszta Układu Słonecznego były częścią gigantycznej chmury molekularnej wodoru, helu i innych cięższych pierwiastków.
Jak chmura zapadła się w dół, pęd wszystkich cząsteczek wprawił chmurę w ruch obrotowy. Obecny okres rotacji Ziemi jest wynikiem tej początkowej rotacji i innych czynników, w tym tarcia pływowego i hipotetycznego zderzenia Theia – kolizji z obiektem wielkości Marsa, która, jak się uważa, miała miejsce około 4,5 miliarda lat temu i uformowała Księżyc.
Ta szybka rotacja jest również tym, co nadaje Ziemi jej kształt, spłaszczając ją do sferoidy obłej (lub tego, co wygląda jak zgnieciona piłka). Ten szczególny kształt naszej planety oznacza, że punkty wzdłuż równika są w rzeczywistości dalej od środka Ziemi niż na biegunach.
Historia badań:
W starożytności astronomowie naturalnie wierzyli, że Ziemia jest nieruchomym ciałem w kosmosie, a Słońce, Księżyc, planety i gwiazdy obracają się wokół niej. W klasycznej starożytności zostało to sformalizowane w systemy kosmologiczne przez filozofów i astronomów takich jak Arystoteles i Ptolemeusz – które później stały się znane jako Model Ptolemeuszowy (lub Model Geocentryczny) wszechświata.
Jednakże byli tacy w starożytności, którzy kwestionowali tę konwencję. Jeden punkt sporny był fakt, że Ziemia była nie tylko stała w miejscu, ale że nie obraca się. Na przykład Arystarch z Samos (ok. 310 – 230 p.n.e.) opublikował pisma na ten temat, które były cytowane przez jego współczesnych (takich jak Archimedes). Według Archimedesa, Arystarch opowiadał się za tym, że Ziemia krąży wokół Słońca i że wszechświat jest wielokrotnie większy niż wcześniej sądzono.
A potem był Seleucis z Seleucji (ok. 190 – 150 p.n.e.), hellenistyczny astronom, który żył w bliskowschodnim imperium Seleucydów. Seleucus był zwolennikiem heliocentrycznego systemu Arystarcha, a być może nawet udowodnił jego prawdziwość, dokładnie obliczając pozycje planet i obrót Ziemi wokół ziemsko-księżycowego „środka masy”.
Geocentryczny model wszechświata zostałby również zakwestionowany przez średniowiecznych uczonych islamskich i indyjskich. Na przykład w 499 r. indyjski astronom Aaryabhata opublikował swoje magnum opus Aryabhatiya, w którym zaproponował model, w którym Ziemia obracała się wokół własnej osi, a okresy planet były podane w odniesieniu do Słońca. 10-wieczny irański astronom Abu Sa’id al-Sijzi zaprzeczył modelowi ptolemejskiemu, twierdząc, że Ziemia obracała się wokół własnej osi, wyjaśniając w ten sposób pozorny cykl dobowy i obrót gwiazd względem Ziemi. Mniej więcej w tym samym czasie Abu Rayhan Biruni (973-1048) dyskutował nad możliwością obrotu Ziemi wokół własnej osi i wokół Słońca – choć uważał to za kwestię filozoficzną, a nie matematyczną.
W obserwatorium w Maragha i Ulugh Beg (vel Samarkandzie) obrót Ziemi był dyskutowany przez kilka pokoleń astronomów między XIII a XV wiekiem, a wiele argumentów i dowodów przypominało te używane przez Kopernika. Również w tym czasie Nilakantha Somayaji opublikował Aryabhatiyabhasya (komentarz do Aryabhatiya), w którym opowiedział się za częściowo heliocentrycznym modelem planetarnym. Po nim w 1500 roku ukazała się Tantrasangraha, w której Somayaji włączył obrót Ziemi wokół własnej osi.
W XIV wieku aspekty heliocentryzmu i poruszającej się Ziemi zaczęły pojawiać się w Europie. Na przykład, francuski filozof biskup Nicole Oresme (ok. 1320-1325 do 1382 CE) omówił możliwość, że Ziemia obraca się wokół własnej osi. Jednak to polski astronom Mikołaj Kopernik miał największy wpływ na współczesną astronomię, gdy w 1514 r. opublikował swoje idee dotyczące heliocentrycznego wszechświata w krótkim traktacie zatytułowanym Commentariolus („Mały komentarz”).
Podobnie jak inni przed nim, Kopernik opierał się na pracach greckiego astronoma Atistarcha, a także złożył hołd szkole Maragha i kilku znamienitym filozofom ze świata islamu (zob. poniżej). Nieodłącznym elementem jego modelu był fakt, że Ziemia i wszystkie inne planety krążyły wokół Słońca, ale także to, że Ziemia obracała się wokół własnej osi i była okrążana przez Księżyc.
Z czasem, dzięki takim naukowcom jak Galileusz i Sir Isaac Newton, ruch i rewolucja naszej planety stały się przyjętą konwencją naukową. Wraz z nadejściem ery kosmicznej, rozmieszczeniem satelitów i zegarów atomowych, nie tylko potwierdziliśmy, że jest ona w ciągłym ruchu, ale byliśmy w stanie zmierzyć jej orbitę i obrót z niewiarygodną dokładnością.
W skrócie, świat kręci się od samego początku. I, w przeciwieństwie do tego, co niektórzy mogą powiedzieć, to faktycznie jest spowolnienie, choć w niewiarygodnie wolnym tempie. Ale oczywiście, do czasu gdy zwolni znacząco, prawdopodobnie przestaniemy istnieć, lub wyślizgniemy się z jego „surly bonds” i staniemy się gatunkiem międzyplanetarnym.
Napisaliśmy wiele interesujących artykułów o ruchach Ziemi tutaj w Universe Today. Oto How Fast Does The Earth Rotate?, Earth’s Orbit Around The Sun, How Fast Does The Earth Rotate?, Why Does The Earth Spin?, What Would Happenen If The Earth Stopped Spinning?, and What Is The Difference Between the Heliocentric and Geocentric Models Of The Solar System?
Jeśli chciałbyś uzyskać więcej informacji na temat rotacji Ziemi, sprawdź NASA’s Solar System Exploration Guide on Earth. A tutaj jest link do NASA’s Earth Observatory.
Nagraliśmy również odcinek Astronomy Cast wszystko o Ziemi. Posłuchaj tutaj, Odcinek 51: Earth.