Ciała niebieskie takie jak planety krążą wokół gwiazd – ruchem obiegowym. Z kolei gwiazdy obiegają centra galaktyki. Choć skutki tego ruchu są niewidoczne dla Ziemi, na cod zień odczuwamy skutki ruchu naszej planety wokół Słońca.

Spis tematów (kliknij, aby przejść do wyboru tematów)


Wszechświat i Ziemia

III Ruch obiegowy Ziemi

Ruchem obiegowym nazywamy ruch Ziemi wokół Słońca. Słowo “obieg” może się tu kojarzyć z ruchem po określonym torze, wokół jakiegoś centrum.

1. Cechy ruchu obiegowego

Ziemia obiega słońce po orbicie w kształcie elipsy, której jednym z ognisk jest Słońce. Z tego powodu odległość Ziemi od Słońca zmienia się. Gdy Ziemia znajduje się najbliżej naszej gwiazdy – około 147 milionów kilometrów od niej. Ten dzień nazywamy peryhelium. Z kolei gdy odległość od Słońca rośnie do 152 mln kilometrów mówimy, że Ziemia jest w aphelium. Uśredniona prędkość, z jaką Ziemia obiega Słońce to 30 km/s. Różnica w odległości Ziemi od Słońca w czasie peryhelium i aphelium wynosi nieco ponad 3%, z tego powodu ma niewielkie znaczenie dla warunków życia na Ziemi.

Położenie Ziemi w aphelium i peryhelium

Źródło: https://ocs-pl.oktawave.com/v1/AUTH_2887234e-384a-4873-8bc5-405211db13a2/spidersweb/2017/07/punk-odsloneczny.jpg

Daty wystąpienia aphelium i peryhelium zmieniają się co roku. Peryhelium wypada co roku między 2 i 5 stycznia(np. w 2019 r. był to 3 stycznia), a aphelium między 3 a 7 lipca (np. w 2019 r. był to 5 lipca).

By obiec Słońce Ziemia potrzebuje dokładnie 365 dni, 5 godzin, 48 minut i 46 sekund – jeden rok (zwrotnikowy zwany też słonecznym). Aby ułatwić organizację życia, przyjęto, że jeden rok będzie trwał dokładnie 365 dni, natomiast nadwyżkę co 4 lata dodaje się w postaci 1 dnia w postaci tak zwanego roku przestępnego – który trwa 366 dni.

2. Obserwacja ruchu obiegowego

Ruch obiegowy Ziemi jest także zauważalny z powierzchni planety. Pozorna droga Słońca (po “okręgu wielkim”), którą porusza się po niebie, nazywa się ekliptyką. Oś Ziemi jest ustawiona względem płaszczyzny ekliptyki pod kątem 66°34′, z kolei płaszczyzna równika tworzy z płaszczyzną ekliptyki kat 23°26′. Oś obrotu Ziemi jest nachylona do prostej prostopadłej do orbity również pod kątem 23°26′.

Nachylenie osi obrotu Ziemi względem płaszczyzny ekliptyki

Źródło: Własna edycja na podstawie: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4b/Nachylenie_osi_obrotu.png

Kolejne istotne pojęcie związane z obserwacją ruchu obiegowego Ziemi to sfera niebieska (sklepienie niebieskie). To złudzenie optyczne, widziane z powierzchni Ziemi, polegające na postrzeganiu widocznego fragmentu nieba jako kopuły, na której umieszczone są obiekty (gwiazdy). Cechą sfery niebieskiej jest postrzeganie gwiazd jako znajdujących się (wbrew rzeczywistości) w jednakowej odległości od obserwatora (dostrzegamy jedynie różnicę kątową względem naszego położenia).

Sfera niebieska z punktu widzenia obserwatora na Ziemi

Źródło: Własna edycja na podstawie: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/RuM4zbWyCgui2/3/960/1AQCgdT1LFfSKF6iqtPAtGzL40GKKM71.png

Obserwacja planety z poziomu Ziemi nierozerwalnie wiąże się także z pojęciami horyzontu i widnokręgu. Horyzont to okrąg na styku sfery niebieskiej i płaszczyzny, na której znajduje się obserwator. Z kolei widnokrąg ogranicza się do faktycznie obserwowanej części terenu (linia pozornego zetknięcia sfery niebieskiej z powierzchnią obserwowanej terenu). Linia horyzontu i widnokręgu może się ze sobą pokrywać, jeżeli w punkcie obserwacji nie ma żadnych przeszkód terenowych.

Horyzont i widnokrąg – porównanie z punktu widzenia obserwatora na plaży

Źródło0 Opracowanie własne na podstawie: https://www.google.pl/maps/@54.8079681,17.8068466,3a,75y,276.59h,84.44t/data=!3m6!1e1!3m4!1sAF1QipOGliUrTQzMpGmHJ2ERGEO0rFOh9j5NNqnSZ9hP!2e10!7i7700!8i3850

Ostatnim istotnym elementem obserwacji jest układ współrzędnych horyzontalnych (zwany też układem horyzontalnym). Istotą tego punktu obserwacji, jest obecność biegunów układu w postaci zenitu nadiru, które znajdują się odpowiednio – pionowo nad oraz pod obserwatorem. Obserwacje w układzie horyzontalnym umożliwiają opisanie chwilowego położenia ciała niebieskiego – z punktu widzenia obserwatora.

Układ współrzędnych horyzontalnych

Źródło: Edycja własna na podstawie: https://slideplayer.pl/slide/10797696/38/images/4/Bieguny+%C5%9Bwiata+p%C3%B3%C5%82nocny+%28Bn%29+i+po%C5%82udniowy+%28Bs%29+wytycza+przeci%C4%99cie+przed%C5%82u%C5%BCenia+osi+obrotu+Ziemi+ze+sfer%C4%85+niebiesk%C4%85+..jpg

3. Skutki ruchu obiegowego

Zmiana położenia Ziemi względem Słońca w ciągu roku powoduje zarówno bardzo poważne jak i mające charakter wyłącznie obserwacyjny skutki. Obejmują one liczne aspekty życia.  Do głównych następstw ruchu obiegowego należą:

  • Nierównomierne oświetlenie Ziemi w ciągu roku (zmiana wysokości Słońca nad horyzontem), a tym samym – zróżnicowana dostawa energii słonecznej, co z kolei powoduje istnienie stref klimatycznych

Obszary położone w strefie międzyzwrotnikowej mają stale dużą dostawę energii (zawsze wysoki kąt padania promieni słonecznych – Słońce zawsze wysoko nad horyzontem), z kolei obszary umiarkowane i okołobiegunowe – znacznie niższą (Słońce raz wyżej, raz niżej nad horyzontem).

  • Występowanie astronomicznych pór roku (nachylenie Osi Ziemi względem ekliptyki i zróżnicowanie położenie Ziemi względem Słońca w ciągu roku)

W geografii przyjmuje się za początki kolejnych pór roku: 21 marca (wiosny), 22 czerwca (lata), 23 września (jesieni) oraz 22 grudnia (zimy), choć w rzeczywistości powinno to być o 1 dzień wcześniej.

  • Zmiana miejsc wschodu i zachodu Słońca na widnokręgu

W dniu równonocy wiosennej (21 marca) i jesiennej (23 września) Słońce na całej Ziemi wschodzi idealnie na wschodzie, a zachodzi idealnie na zachodzie. Latem (poza strefą Międzyzwrotnikową np. w Polsce) na półkuli północnej Słońca wschodzi bliżej północnego-wschodu, a zachodzi bliżej północnego-zachodu z kolei zimą wschodzi bliżej połduniowego-wschodu, a zachodzi bliżej południowego-zachodu. Na półkuli południowej odwrotnie.

  • Zmiana długości dnia i nocy (dłuższa lub krótsza pozorna wędrówka Słońca nad horyzontem) oraz zjawisko dnia i nocy polarnej

Idealnie 12-godzinny dzień występuje przez cały rok na równiku. Oddalanie się na północ i południe powoduje zmianę długości dnia i nocy. Dzień jest dłuższy latem, krótszy zimą. Poza kołem podbiegunowym północnym i południowym, występuje przez pewien czas (im bliżej bieguna tym dłuższy) zjawisko dnia i nocy polarnej czyli dnia o długości 24 godzin i nocy o długości 0 godzin.

  • Pozorna zmiana położenia gwiazd na niebie

Zmiana pozycji Ziemi względem Słońca powoduje zmianę położenia obserwowanych z Ziemi gwiazdozbiorów w ciągu roku.

4. Oświetlenie Ziemi w ciągu roku

Oświetlenie Ziemi przez Słońce zmienia się każdego dnia. Jest to skutek nachylenia osi ziemskiej do płaszczyzny ekliptyki pod kątem 66°34′. Następstwami jest opisane wcześniej – występowanie pór roku czy stref klimatycznych. W toku obiegu Ziemi wokół Słońca, wyróżnia się kilka momentów określanych “przesileniami”.

Oświetlenie Ziemi w trakcie ruchu obiegowego

Źródło: Własna modyfikacja na podstawie: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/R1KJhVUmSWYmR/7/960/g8zv64bFa10Fs39lr0E06I95GlYHgeyx.png

Istotą zmiany w oświetleniu jest występowanie trzech okresów:

  • Przesilenie 22 czerwca (letniego dla półkuli północnej i zimowego dla półkuli południowej). Słońce góruje tego dnia pionowo nad zwrotnikiem raka – większe oświetlenie półkuli północnej, trwa dzień polarny na kole podbiegunowym północnym i noc polarna na kole podbiegunowym południowym.
  • Przesilenie 22 grudnia (zimowe dla półkuli północnej i letnie dla półkuli południowej). Słońce góruje tego dnia pionowo nad zwrotnikiem koziorożca – większe oświetlenie półkuli południowej, trwa dzień polarny na kole podbiegunowym południowym i noc polarna na kole podbiegunowym północnym.
  • Przesilenie 21 marca i 23 września (równonoc wiosenna i jesienna). Słońce góruje w tych dniach pionowo nad równikiem. Dzień na całej Ziemi trwa dokładnie 12 godzin. W tych dniach rozpoczynają się i kończą dni i noce polarne na biegunach.

Długość trwania dnia w czasie przesileń

Źródło: Własna modyfikacja na podstawie: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/Rrrns1daq30wM/3/960/EInGPemPBPCciaVPRsR0lmHCOAP6CK6c.png

Skutkiem takich zmian w rocznym oświetleniu Ziemi, jest powstanie trzech obszarów oświetlenia Ziemi:

  • Strefa międzyzwrotnikowa (ograniczona Zwrotnikiem Raka – 23°26’N od północy i Zwrotnikiem Koziorożca – 23°26’S od południa). W tej strefie Słońce nad każdym punktem (za wyjątkiem samych zwrotników) góruje dwukrotnie pod kątem 90° i nigdy nie góruje pod kątem niższym niż 43°08′. Długość dnia waha się między 13,5 a 10,5 godziny. W tej sferze Słońce dostarcza największe ilości ciepła. Jedyną obserwowaną porą roku jest lato.
  • Strefy umiarkowane – północna (ograniczona od południa Zwrotnikiem Raka – 23°26’N i granicą koła podbiegunowego północnego – 66°34’N od północy) oraz południowa (ograniczona od północy Zwrotnikiem Koziorożca – 23°26’S i granicą koła podbiegunowego południowego – 66°34’S od południa. Wysokość górowania Słońca maleje wraz z oddalaniem się w kierunku biegunów – od maksymalnie 90° do minimum – 0°. Długość dnia podlega największym wahaniom od 0 do nawet 24 godzin. Są to strefy o średniej wartości dostawy energii słonecznej, ponadto silnie zróżnicowanej w ciągu roku. Obserwujemy tutaj zjawisko typowych pór roku – lata, jesieni, wiosny i zimy.
  • Strefy podbiegunowe – północna (od bieguna północnego do granicy północnego koła podbiegunowego na południu – 66°34’N) oraz południowa (od bieguna południowego do granicy południowego koła podbiegunowego na północy – 66°34’S). Słońce nigdy nie góruje wyżej niż pod kątem 23°26′, za to często w ogóle nie góruje (górowanie ujemne czyli równe 0°). Długość dnia może wynosić 0 godzin, ale też 24 godziny przez dłuższy okres czasu. Jest to strefa najmniejszej dostawy energii słonecznej, gdzie w zasadzie jedyną obserwowaną porą roku jest zima. W tej strefie obserwujemy zjawisko dnia i nocy polarnej – na biegunach trwają one naprzemiennie pół roku bez przerwy.

Sfery oświetlenia Ziemi na mapie świata

Źródło: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/R1WBLRGxVjowo/4/960/2KnKDf38VivhuRm2GluAUnc9A4NoOc8k.png

Ze strefami oświetlenia Ziemi nierozerwalnie związane są różnice w dostawie energii Słonecznej, których konsekwencje dotyczą przede wszystkim klimatu. Aby zrozumieć to zjawisko, należy sobie wyobrazić, że jedna wiązka promieniowania słonecznego świecąca pod kątem 90° ma do oświetlenia (ogrzania) znacznie mniejszą powierzchnię, niż ta sama wiązka świecąca pod kątem np. 30°. Ponadto im wyższy kat padania tym większe pochłonięcie, a więc promienie padające pod kątem 90° zostaną w znacznie większym stopniu pochłonięte niż promienie padające np. pod kątem 30° (te zostaną w dużym stopniu odbite od powierzchni Ziemi).

Porównanie obszaru, jaki musi oświetlić ta sama wiązka promieni pod różnymi kątami

Źródło: https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQnJ4JvSYb-xaOnU_xcTBg9T93r5_st6lC4_tcIhJRjRm-boFAc

W praktyce ilość ciepła dostarczanego przez Słońce pod kątem 90° jest dwukrotnie wyższa od tej dostarczanej pod kątem 30°.

5. Górowanie Słońca 

Górowanie Słońca to czas, kiedy Słońce znajduje się w najwyższym możliwym (danego dnia) punkcie nad horyzontem. Moment górowania nosi nazwę południa słonecznego i choć prawie nigdy nie pokrywa się z faktyczną godziną 12:00, to w zadaniach najczęściej przyjmuje się właśnie tą wartość. Każdego dnia wysokość górowania Słońca jest inna, co wynika z nachylenia osi Ziemi do płaszczyzny ekliptyki oraz z trwającego ruchu obiegowego.

Umiejętność obliczania górowania Słońca jest jedną z matematycznych podstaw geografii. Całość oparta jest na systemie wzorów, które pozwalają podać wysokość górowania z dokładnością do stopni i minut, w dniach: 22 czerwca, 22 grudnia, 21 marca i 23 września dla dowolnego punktu na Ziemi.

Wzory na górowanie Słońca w dowolnym miejscu na Ziemi

Źródło: Opracowanie własne.

Górowanie Słońca każdorazowo oblicza się uwzględniając szerokość geograficzną punktu (we wzorze zapisana jako φ) oraz położenie względem zwrotnika (23°26′). Wyjściem dla wzoru jest zawsze 90°, ponieważ jest to maksymalna możliwa wysokość górowania (pionowo nad punktem).

Wzory różnią się między półkulą południową i północną, oraz między strefą międzyzwrotnikową i pozostałą częścią Ziemi. Ponadto za kołem podbiegunowym północnym i południowym wyniki mogą uzyskiwać wartość ujemną, co oznacza występowanie nocy polarnej (wtedy wysokość górowania podaje się jako 0° – brak górowania).

Wzór zawsze składa się więc z trzech elementów: 90°, φ, 23°26′. Zmieniają się tylko znaki + i -. Wyjątkiem są daty 21 III i 23 IX – wtedy na całej Ziemi obowiązuje wzór 90° – φ, ponieważ występuje równonoc (dzień jest tej samej długości dla całej planety – Słońce świeci pionowo nad równikiem, więc nie uwzględnia się górowania nad zwrotnikiem czyli obecnych w pozostałych wzorach 23°26′).

Istnieją specjalne tablice umożliwiające obliczenie górowania także w inne dni roku, niż daty przesileń, jednak wiedza ta ma charakter wąskospecjalistyczny.

Przykładowe obliczenia górowania Słońca:

Zadanie dotyczące obliczenia górowania Słońca może żądać podania wysokości górowania tylko w wybranym dniu, lub we wszystkich dniach przesileń. Poniżej obliczymy 6 przykładów dla każdego możliwego wariantu. Przykład treści zadania wygląda następująco:

Oblicz wysokość górowania Słońca dla Warszawy (52°14’N) w dniu 21 marca.

Obliczenia górowania Słońca dla 6 wybranych szerokości geograficznych

Źródło: Opracowanie własne

Aby uniknąć pomyłek, warto wyobrazić sobie, gdzie w danym momencie góruje Słońce. Obliczone kąty to w rzeczywistości także odległości kątowe po łuku od aktualnego miejsca Górowania Słońca pod kątem 90°. Pomyłki unikniemy także pamiętając, że kąt nigdy nie może być wyższy niż 90°, ani niższy od 0° (może się tak zdarzyć wyłącznie zimą na obszarach okołobiegunowych – górowanie wynosi wtedy 0° (ujemny wynik oznacza, że Słońce jest schowane za horyzontem przez całą dobę, a więc mamy noc polarną).

Możliwe jest także zadanie zupełnie odwrotne, na przykład:

Oblicz współrzędne geograficzne punktu na półkuli północnej, w którym Słońce góruje w dniu 22 VI pod kątem 41°12′.

Odpowiedź:

Korzystamy ze wzoru dla 22 VI półkuli północnej (lato). Kąt jest niższy niż 66°34′ więc chodzi o wzór dla umiarkowanych i podbiegunowych szerokości geograficznych:

90° – φ + 23°26′ = 41°12′
90° + 23°26′ – 41°12′ = φ
φ = 72°14′

Inny przykład:

Oblicz współrzędne geograficzne punktu na półkuli południowej, w którym Słońce góruje w dniu 22 XII pod kątem 82°05′.

Odpowiedź:

Korzystamy ze wzoru dla 22 XII półkuli południowej (lato). Kąt jest wyższy niż 66°34′ więc chodzi o wzór dla strefy międzyzwrotnikowej:

90° + φ – 23°26′ = 82°05′
φ = 82°05′ + 23°26′ – 90°
φ = 15°31′

6. Ruch Słońca nad horyzontem

Choć sam pozorny ruch Słońca nad horyzontem to skutek ruchu obrotowego Ziemi, to jednak zmiana przebiegu tej wędrówki nad danym punktem w ciągu roku, jest już skutkiem ruchu obiegowego.

Wędrówki Słońca nad obszarami o różnych szerokościach geograficznych (kliknij aby powiększyć obraz)

Źródło: Modyfikacja własna na podstawie: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/R1cI20OJsIrqf/4/960/1kKyLmF54W77LQEK6gURMIzEJeVZwh20.png


7. Zaćmienie Słońce i zaćmienie Księżyca

W wyniku niezwykle szczęśliwego zbiegu okoliczności, rozmiary księżyca i Słońca widzianych na niebie są niemal identyczne (mimo gigantycznej różnicy w rzeczywistości). W wyniku wzajemnego ruchu Ziemia-Księżyc-Słońce co najmniej kilka razy w roku dochodzi do sytuacji, gdy te ciała niebieskie znajdują się w jednej linii.

  • Gdy Księżyc znajdzie się pomiędzy Ziemią i Słońcem, dochodzi do Zaćmienia Słońca. Księżyc całkowicie przesłania widok Słońca dla pasa o szerokości maksymalnie kilkuset kilometrów. Ponieważ przesłonięty obszar jest niewielki, zjawisko to rzadko obserwuje się w Polsce. Niekiedy widzimy je w postaci częściowego zaćmienia.
  • Gdy Ziemia znajdzie się pomiędzy Słońcem i Księżycem, dochodzi do Zaćmienia Księżyca. Ziemia całkowicie lub częściowo przesłania Księżyc, ze względu na znacznie większe od niego rozmiary. Zjawisko jest częste i powszechnie obserwowane w dowolnym miejscu na Ziemi.

Zaćmienie Słońca i Zaćmienie Księżyca – mechanizm powstawania

Źródło: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/R10pSypg0szVJ/3/960/wFBljrZG6VM5Z2HOibErw4Np3skSo4HA.png oraz https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/Ru4sd9zHyuYiz/3/960/2Csg3V0iUA3ZuWp71uEGbVoq4TvNYME4.png