Ruch obrotowy Ziemi – inaczej ruch wirowy Ziemi – obrót Ziemi wokół własnej osi. Czas jednego obrotu względem odległych gwiazd wynosi 23 godziny 56 minut i 4,1 sekundy. Okres ten nazywa się dobą gwiazdową. Na równiku prędkość wywołana obrotem Ziemi wynosi około 1674,4 km/h[1], bieguny natomiast pozostają w miejscu. Tam gdzie na powierzchnię Ziemi padają promienie słoneczne, panuje dzień, na pozostałym obszarze panuje noc, ruch obrotowy Ziemi jest przyczyną zmiany dnia i nocy. W jedną godzinę Ziemia obraca się w przybliżeniu o 15° a w cztery minuty o 1°
Następstwa ruchu obrotowego
Konsekwencje ruchu obrotowego Ziemi:
Wynikające bezpośrednio z ruchu:
dobowy ruch sfery niebieskiej ze wschodu na zachód czyli pozorny ruch gwiazd po sklepieniu niebieskim,
zamiana dni i nocy i związana z tym rachuba oraz możliwość pomiaru czasu,
obrót płaszczyzny wahań wahadła Foucaulta
Wynikające z siły odśrodkowej:
spłaszczenie Ziemi na biegunach, które wynosi 0,00335 (czyli różnica długości promienia równikowego i biegunowego to ok. 21 km)
zmniejszenie siły ciążenia na równiku
Wynikające z siły Coriolisa:
efekt Coriolisa – odchylenie kierunku poruszania się ciał (w prawo na półkuli północnej i w lewo na półkuli południowej), obserwowane np. w zmianie kierunku płaszczyzny wahań wahadła Foucaulta,
wirowanie mas powietrza wokół niżów i wyżów barycznych (cyklony i antycyklony) oraz strefy stałych wiatrów (pasat),
Wynikające z obrotu wektorów sił pływowych Księżyca i Słońca:
przesunięcie fali wywołanej pływami mórz
ruchy skorupy Ziemi.
Procesja ruchu obrotowego
Oś obrotu Ziemi nie jest prostopadła do płaszczyzny jej orbity (ekliptyki) w wyniku czego, pojawia się moment siły działający na tę oś. Wynika to z tego, że wypadkowa sił zewnętrznych działających na Ziemię od Słońca i Księżyca nie zawsze znajduje się w środku masy Ziemi. Powstały moment siły powoduje powolną zmianę osi. Duże, okresowe wirowanie (toczenie się po powierzchni stożka) osi Ziemi wokół osi prostopadłej do płaszczyzny orbity nazywa się precesją, natomiast mniejsze odchylania od okręgu precesji nutacją. Zakreślenie pełnego okręgu trwa 26 tysięcy lat.
Zmiennośc Ruch obrotowy Ziemi nie jest stały, ulega krótkookresowym wahaniom, cyklom rocznym oraz powolnym zmianom, w których przeważa zwalnianie[2].
Od lat 50. dwudziestego wieku, kiedy zbudowano zegary atomowe mierzące bardzo dokładnie czas, możliwe stało się dokładne obserwowanie zmian szybkości wirowania Ziemi. Czas jednej doby gwiazdowej i dłuższej od niej ok. 4 minutyśredniej doby słonecznej zmienia się, wahania krótkotrwałe wnoszą do 3 ms. Długotrwałe pomiary wykazują, że średnie tempo wydłużania się doby wynosiło wówczas 1 - 2 ms na wiek. Ze względu na to, że czas średniej doby słonecznej przez drugą połowę XX wieku stale był dłuższy średnio o 1,8 ms od 86400 wzorcowych sekund, czas UTC był w miarę potrzeby korygowany przez dodawanie dodatkowej sekundy zwanej sekundą przestępną. Ze względu na obserwowane w latach 1996 - 2005 w zwiększanie szybkości obrotowej Ziemi i zbliżanie się do 86400 s, dodawanie sekund przestępnych było coraz rzadsze. Obecnie rozważane jest całkowite odejście od procedury stosowania sekund przestępnych.
Na wykresie wyżej (zielony) zmiany nachylenia krzywej odpowiadają zmianom długości średniego czasu obrotu Ziemi dokoła swojej osi. Od połowy lat 90 aż do 2005 roku średnia prędkość obrotowa Ziemi wzrastała. Około początku roku 2006 prędkość obrotowa Ziemi jest niemal dokładnie równa prędkości obrotowej Ziemi jaka była w połowie XIX wieku, którego czas 1/86400 ówczesnej długości doby słonecznej przyjęto jako wzorzec czasu trwania sekundy.
Na położenie Słońca (czas słoneczny) na nieboskłonie, ma wpływ nie tylko ruch wirowy Ziemi wokół jej własnej osi, ale także ruch obiegowy Ziemi po orbicie eliptycznej wokół Słońca. Ziemia w pobliżu peryhelium porusza się z większą prędkością kątową względem Słońca niż przy aphelium swojej orbity. Różnice te wpływają na nierównomierności roczne pozornego ruchu Słońca po niebie.
Zmiany prędkości wirowania Ziemi wynikają ze zmiany jej momentu bezwładności wywołanego przemieszczaniem się w jej objętości dużych mas stałych. Z prawa zachowania momentu pędu wynika, że zmniejszenie momentu bezwładności Ziemi wywołuje przyspieszenie jej ruchu obrotowego, a zwiększenie jej momentu bezwładności wywołuje zwolnienie tego ruchu. Ruchy tektoniczne wypiętrzające masy skalne w rejonach równikowych zwiększające moment bezwładności Ziemi powodują zmniejszanie prędkości jej wirowania. Wypiętrzanie mas skalnych w okolicach podbiegunowych oraz - co jest obserwowane obecnie - wywołane globalnym ociepleniem pogrubianie się warstwy stałych lodowców spoczywających wysoko nalądolodach obszarów arktycznych i Antarktydy przy równoczesnym topnieniu lodowców na małych szerokościach geograficznych powoduje zmniejszenie momentu bezwładności Ziemi i w rezultacie zwiększanie prędkości jej wirowania.
Wirowanie zmiany w wirowaniu dużych mas wody w morzach i powietrza w atmosferze wywołują zmiany w wirowaniu Ziemi. Zmiany prędkości obrotowej Ziemi nie przenoszą się natychmiast na wirowanie jej jądra. Na początku XXI w. odkryto, że jądro wiruje szybciej niż skorupa ziemska.
Oddziaływania grawitacyjne innych ciał Układu Słonecznego - głównie Księżyca i Słońca, poprzez pływy morskie, wywołują hamowanie ruchu wirowania Ziemi.
Prędkość obrotową Ziemi zmieniać może moment pędu (wobec jej środka) upadających na Ziemię meteorytów.
Kula ziemska wykonuje ruch obrotowy (wirowy) wokół własnej osi. W ciągu doby, każdy z punktów na Ziemi, z wyjątkiem biegunów, zakreśla pełen okrąg. Ruch obrotowy odbywa się z zachodu na wschód i trwa 23 godziny 56 minut i 4 sekundy.
Istnieje kilka następstw ruchu wirowego Ziemi:
występowanie nocy i dnia,
widoczna wędrówka Słońca i innych ciał niebieskich po sklepieniu niebieskim,
spłaszczenie kuli ziemskiej na biegunach, przez co Ziemia ma kształt geoidy,
odchylenie swobodnie spadających ciał na wschód - ciała zmieniają swoje położenie o 2 cm na 100 m lotu,
siła Coriolisa - powoduje skręcanie ciał poruszających się wzdłuż południka na półkuli północnej w prawo, a na południowej w lewo. Jej największymi konsekwencjami są; Odchylenie kierunku stałych wiatrów, pływy morskie i oceaniczne.
Bezpośrednim dowodem na istnienie ruchu obrotowego Ziemi jest Wahadło Foucaulta. Jest to przyrząd skonstruowany przez francuskiego fizyka Foucaulta w 1851. Zauważył on, że płaszczyzny wahań dużego wahadła zmieniają swoje położenie względem kierunków na Ziemi. Gdyby Ziemia była nieruchoma wahadło nie mogłoby bez przyczyny zmieniać płaszczyzny wahań.
Ruch obrotowy (wirowy) to ruch Ziemi wokół własnej osi. Oś Ziemi jest teoretyczną linią prostą, która przechodzi przez Biegun Północny i Biegun Południowy. Nasza planeta wiruje zawsze w kierunku z zachodu na wschód.
Czas jednego pełnego obrotu Ziemi wynosi:
- 23 godziny 56 minut 4 sekundy – doba gwiazdowa (gdy punktem odniesienia jest nieskończenie odległa gwiazda),
- 24 godziny – doba słoneczna (gdy punktem odniesienia jest najbliższa gwiazda, czyli Słońce).
Liniowa prędkość ruchu wirowego Ziemi zależy od szerokości geograficznej – maksymalna wartość osiągana jest na Równiku, gdzie wynosi 1670 km/h = 464m/s (prędkość ta maleje w miarę zbliżania się do biegunów).
KONSEKWENCJE RUCHU WIROWEGO:
- dobowa zmiana czasu;
- spłaszczenie Ziemi przy biegunach – to wynik siły odśrodkowej, która działa na każde ciało będące w ruchu wirowym; siła ta skierowana jest prostopadle do osi Ziemi i powoduje jej rozszerzenie wokół Równika (patrz rozdział Kształt i rozmiary Ziemi);
- widome ruchy gwiazd – obracająca się z zachodu na wschód Ziemia wywołuje “wędrówkę” po niebie (w odwrotnym kierunku) wszystkich ciał niebieskich (z wyjątkiem Gwiazdy Polarnej, która znajduje się na przedłużeniu osi Ziemi); warto jednak dodać, że to zjawisko wskazuje na istnienie względnego ruchu Ziemi i gwiazd, ale nie jest bezwzględnym dowodem ruchu wirowego naszej planety;
- siła Coriolisa – to siła bezwładności powodująca odchylenie kierunku poruszania się ciał (w prawo na półkuli północnej i w lewo na półkuli południowej);
- pływy morskie (przypływy i odpływy) – są one wywołane grawitacyjnym przyciąganiem Księżyca i Słońca;
Spiętrzenie pływowe powstaje po stronie zwróconej do Księżyca oraz po stronie przeciwnej. Podczas pełni i nowiu Księżyc oraz Słońce leżą w jednej płaszczyznie z Ziemią. Oddziaływania obu ciał niebieskich nakładają się na siebie powodując wystąpienie maksymalnych przypływów i odpływów (pływy syzygijne). Natomiast gdy Księżyc znajduje się w pierwszej lub ostatniej kwadrze, grawitacja Słońca częściowo przeciwdziała przyciąganiu Księżyca, co skutkuje mniejszymi pływami (pływy kwadrowe). Czas jednego pełnego obrotu Ziemi wynosi:
- 23 godziny 56 minut 4 sekundy – doba gwiazdowa (gdy punktem odniesienia jest nieskończenie odległa gwiazda),
- 24 godziny – doba słoneczna (gdy punktem odniesienia jest najbliższa gwiazda, czyli Słońce).
Liniowa prędkość ruchu wirowego Ziemi zależy od szerokości geograficznej – maksymalna wartość osiągana jest na Równiku, gdzie wynosi 1670 km/h = 464m/s (prędkość ta maleje w miarę zbliżania się do biegunów).
KONSEKWENCJE RUCHU WIROWEGO:
- dobowa zmiana czasu;
- spłaszczenie Ziemi przy biegunach – to wynik siły odśrodkowej, która działa na każde ciało będące w ruchu wirowym; siła ta skierowana jest prostopadle do osi Ziemi i powoduje jej rozszerzenie wokół Równika (patrz rozdział Kształt i rozmiary Ziemi);
- widome ruchy gwiazd – obracająca się z zachodu na wschód Ziemia wywołuje “wędrówkę” po niebie (w odwrotnym kierunku) wszystkich ciał niebieskich (z wyjątkiem Gwiazdy Polarnej, która znajduje się na przedłużeniu osi Ziemi); warto jednak dodać, że to zjawisko wskazuje na istnienie względnego ruchu Ziemi i gwiazd, ale nie jest bezwzględnym dowodem ruchu wirowego naszej planety;
- siła Coriolisa – to siła bezwładności powodująca odchylenie kierunku poruszania się ciał (w prawo na półkuli północnej i w lewo na półkuli południowej);
- pływy morskie (przypływy i odpływy) – są one wywołane grawitacyjnym przyciąganiem Księżyca i Słońca;
Spiętrzenie pływowe powstaje po stronie zwróconej do Księżyca oraz po stronie przeciwnej. Podczas pełni i nowiu Księżyc oraz Słońce leżą w jednej płaszczyznie z Ziemią. Oddziaływania obu ciał niebieskich nakładają się na siebie powodując wystąpienie maksymalnych przypływów i odpływów (pływy syzygijne). Natomiast gdy Księżyc znajduje się w pierwszej lub ostatniej kwadrze, grawitacja Słońca częściowo przeciwdziała przyciąganiu Księżyca, co skutkuje mniejszymi pływami (pływy kwadrowe).
Dobowa zmiana czasu – w tym samym momencie dla jednych punktów na Ziemi Słońce wschodzi, dla innych góruje (osiąga najwyższy punkt na horyzoncie podczas widomej wędrówki), a dla jeszcze innych zachodzi; różne położenie Słońca w jednej chwili nad różnymi południkami pozowliło określićczas słoneczny, na podstawie którego wprowadzono czas strefowyi urzędowy.
Czas słoneczny to czas określony na podstawie momentu górowania Słońca na danym południku. Wszystkie kolejne południki położone w kierunku na wschód mają czas późniejszy, a na zachód – wcześniejszy. Wiedząc że każdy punkt na Ziemi wykonuje pełny obrót w ciągu 24 godzin, można określić różnice czasu między poszczególnymi południkami:
360° długości geograficznej – 24 godziny różnicy czasu,
180° długości geograficznej – 12 godziny różnicy czasu,
15° długości geograficznej – 1 godzina różnicy czasu,
1° długości geograficznej – 4 minuty różnicy czasu.
Posługiwanie się czasem słonecznym poszczególnych południków byłoby bardzo uciążliwe w codziennym życiu. Na przykład podróżując ze wschodu na zachód, należało by po dotarciu do każdego następnego południka (różnego o 1°) cofać wskazówki zegara o 4 minuty. Toteż w 1884 roku, na podstawie umowy międzynarodowej, wprowadzono podział Ziemi na 24 południkowestrefy czasu.
Czas strefowy to czas dla każdej strefy obejmującej 15° długości geograficznej. Określa się go na podstawie górowania Słońca nad południkiem środkowym dla danej strefy. W strefach bezpośrednio z sobą sąsiadujących czasy strefowe różnią się o jedną godzinę.
Pierwsza strefa czasu obejmuje obszar położony pomiędzy południkami 7°30’W a 7°30’E. Środkowym jest tu południk 0°, którego czas, wraz z czasem całej strefy, nazywany jest czasem uniwersalnym (GMT). W stosunku do niego określa się czas pozostałych stref, dodając pełne godziny na półkuli wschodniej i odejmując na półkuli zachodniej.
Czas strefowy stosuje się w rzeczywistej postaci na morzach, a na lądach obowiązuje czas urzędowy, który tylko w pewnym stopniu pokrywa się ze strefowym.
Czas urzędowy wprowadzany jest na podstawie zarządzenia władz państwowych. Większość krajów ma na całym swoim terytorium tą samą godzinę. Jednak w przypadku państw o dużej powierzchni, a zwłaszcza znacznej rozciągłości równoleżnikowej, wprowadzenie jednolitego czasu nie miałoby sensu – przykładem może być Rosja, gdzie różnica czasu strefowego między wschodnimi a zachodnimi krańcami wynosi 9 godzin.
Różnica czasu między skrajnymi strefami wynosi 24 godziny, a więc całą dobę – dzień kaledarzowy. W związku z tym z podziału Ziemi na strefy czasowe wynika, że na linii południka 180° “stykają się” ze sobą dwa różne dni. Zaistniała zatem konieczność wyznaczenia międzynarodowej linii zmiany daty. Jej przebiegu nie ustalono jednak dokładnie po południku 180° – ominięto wyspy i półwyspy na Pacyfiku, aby nie wchodzić ze zmianą daty na obszary lądowe.
Przekraczając linię zmiany daty z zachodu na wschód wraca się do daty dnia poprzedniego, zaś poruszając się w kierunku przeciwnym przechodzi się do daty dnia następnego.
Ruch obiegowy to ruch, jaki Ziemia wykonuje wokół Słońca po drodze zwanej orbitą. Orbita (tor ruchu) ma kształt elipsy zbliżonej do okręgu. Słońce znajduje się w jednym z ognisk tej elipsy. Odległość Ziemi od Słońca nie jest zatem stała, lecz zmienia się w ciągu roku.
Najbliżej Słońca (147,1 mln km) nasza planeta znajduje się na początku stycznia – takie położenie nazywane jest peryhelium. Natomiast pozycję najdalszą (152,1 mln km) Ziemia osiąga w pierwszych dniach lipca –aphelium.
Podstawową konsekwencją ruchu obiegowego Ziemi są zmiany warunków oświetlenia naszej planety. W czasie rocznego obiegu dookoła Słońca oś obrotu Ziemi zachowuje stałe nachylenie do płaszczyzny orbity pod kątem66°33’. W wyniku tego pochylenia warunki oświetlenia naszej planety zmieniają się w rytmie rocznym. Obszar zawarty pomiędzyZwrotnikiem Raka i Zwrotnikiem Koziorożca otrzymuje najwięcej energii słonecznej. Tylko w tej strefie Słońce góruje w zenicie. Ma to miejsce w różnym czasie i na różnych szerokościach geograficznych – na Równiku 21 marca i 23 września, na Zwrotniku Raka 22 czerwca, na Zwrotniku Koziorożca 22 grudnia.
Obszary położone na północ i południe od zwrotników, wraz ze wzrostem szerokości geograficznej otrzymują coraz mniej energii słonecznej. Słońce nigdy nie góruje tam w zenicie.
Za kołami podbiegunowymi kąt padania promieni słonecznych jest bardzo mały, a Ziemia otrzymuje najmniej energii słonecznej. Dzień i noc trwają dłużej niż dobę – w takich przypadkach mówi się o występowaniu dni polarnych i nocy polarnych.
Wraz ze zmianą położenia Ziemi względem Słońca (w cyklu rocznym) następują zmiany długości trwania dnia i nocy. Wyjątkiem jest Równik, gdzie przez cały rok dzień jest równy nocy i trwa 12 godzin. W pozostałych szerokościach geograficznych dobowy czas oświetlenia słonecznego zmienia się.
W okresie "letnim" – od marca do września – im dalej na północ, tym dzień jest dłuższy (aż do dnia polarnego na Biegunie Północnym, który trwa tam pół roku). Natomiast im dalej na południe, tym dzień jest krótszy, a noc dłuższa (aż do nocy polarnej na Biegunie Południowym, która trwa tam również pół roku).
W okresie "zimowym" – od września do marca – sytuacja odwraca się, tj. dni są dłuższe na półkuli południowej (na Biegunie Południowym panuje dzień polarny, a na Biegunie Północnym jest noc polarna).
Z powyższymi konsekwencjami wiąże się występowanie u nasastronomicznych pór roku – wiosny, lata, jesieni i zimy. 21 marca i 23 września Słońce góruje w zenicie nad Równikiem, co oznacza początek astronomicznej wiosny i jesieni. Ziemia w tych dniach oświetlona jest od bieguna do bieguna. Zachodzi zjawisko równonocy wiosennej i jesiennej – dzień trwa tyle samo co noc na całej kuli ziemskiej. Na biegunach dzień polarny zmienia się w noc polarną (lub noc w dzień – w zależności od bieguna i miesiąca).
22 czerwca występuje tzw. przesilenie letnie – Słońce góruje w zenicie nad Zwrotnikiem Raka i rozpoczyna się astronomiczne lato. W tym dniu na półkuli północnej przypada najdłuższy dzień w roku, a na południowej najkrótszy.
22 grudnia to data tzw. przesilenia zimowego – Słońce góruje w zenicie nad Zwrotnikiem Koziorożca i rozpoczyna się astronomiczna zima. Tego dnia na półkuli północnej dzień jest najkrótszy, a na południowej najdłuższy.
Trzeba zapamiętać, że na półkuli południowej w danym czasie występują inne astronomiczne pory roku niż u nas, np. gdy w Polsce jest zima to w Australii panuje lato i na odwrót.