Ruchy Ziemi – zarówno obrotowy jak i obiegowy rodzą bardzo poważne konsekwencje dla życia na Ziemi, warunkując rytm dobowy jak również układ stref klimatycznych i rozmieszczenie życia biologicznego. Dodatkowo układ Ziemia-Słońce-Księżyc warunkuje na Ziemi istnienie pływów morskich. Ciekawe są także warunki rzeczywistego czasu wyznaczanego przez Słońce.

Spis tematów (kliknij, aby przejść do wyboru tematów)


Ruchy Ziemi

IV Następstwa ruchów Ziemi

Istnieje szereg ważnych dla życia na Ziemi następstw ruchów Ziemi. Niektóre z nich mogą być w łatwy sposób obserwowane każdego dnia – np. wysokość górowania Słońca na Ziemi, która można także obliczyć matematycznie.

1. Górowanie Słońca na Ziemi

Tak jak opisano to w tym temacie, wysokość górowania Słońca nad Ziemią zależy od szerokości geograficznej oraz daty i jest bezpośrednim następstwem ruchu obiegowego. W różnych dniach i miesiącach roku, Ziemia ustawia się względem Słońca różnymi fragmentami swojej powierzchni. Słońce może górować w zenicie, a więc pod kątem 90° tylko w strefie międzyzwrotnikowej. 22 czerwca ma to miejsce nad zwrotnikiem raka, 21 marca i 23 września nad równikiem, a 22 grudnia nad zwrotnikiem koziorożca. Ponieważ wartość szerokości geograficznej tych miejsc jest znana, możliwe jest obliczenie faktycznego kąta świecenia Słońca w każdym z tych miejsc.

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

Źródło: Opracowanie własne – Krzysztof Grabias.

Istotą problemu jest to, że im wyżej świeci Słońce, tym większą ilość energii dostarczy na jednostkę powierzchni. Z tego powodu kąt świecenia Słońca ma olbrzymi wpływ na rozkład globalnych stref klimatycznych.

Obliczanie górowania Słońca nie należy do najłatwiejszych, dlatego na poziomie szkoły podstawowej warto skupić się na jej obliczaniu dla obszaru Polski – położonej w strefie umiarkowanej na półkuli północnej. Każdorazowo oblicza się to zjawisko 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′).

W przypadku obszaru Polski, wzory dla 3 głównych momentów w ciągu roku będą wyglądały następująco:

  • 21 marca i 23 września: 90° – φ
  • 22 czerwca: 90° – φ + 23°26′
  • 22 grudnia: 90° – φ – 23°26′

Obliczenia zawsze warto zacząć od wartości dla 21 marca i 23 września, ponieważ w pozostałych przypadkach należy tylko dodać lub odjąć 23°26′. Dodanie wartości w czerwcu wynika z tego, że własnie o tą wartość (szerokość geograficzna zwrotnika) Słońce świeci „bliżej” Polski w pionie (nad Zwrotnikiem Raka), a więc kąt jest proporcjonalnie wyższy. Z kolei w grudniu ma miejsce sytuacja odwrotna – Słońce świeci „dalej” (nad położonym na półkuli południowej Zwrotnikiem Koziorożca) i kąt jest niższy. Nie uwzględnia się tej wartości, gdy Słońce świeci nad równikiem, ponieważ jego szerokość geograficzna wynosi 0°.

Przykład pierwszy: Władysławowo

Władysławowo jest miastem w Polsce położonym nad Morzem Bałtyckim w wojewódzkie pomorskim – daleko na północnych krańcach kraju. Jest więc daleko od strefy międzyzwrotnikowej. Szerokość geograficzna (φ) Władysławowa to: 54°47’N.

  • 21 marca i 23 września: 90° – 54°47′ = 35°13′

Podane obliczenie warto najpierw uprościć do wartości: 89°60′ – 54°47′, żeby nie pomylić się i pamiętać, że 1° = 60′.

  • 22 czerwca: 90° – 54°47′ + 23°26′ = 35°13′ + 23°26′ = 58°39′

Pamiętajmy, że pierwszą część działania mamy już wykonaną i do wyniku wystarczy dodać 23°26′.

  • 22 grudnia: 90° – 54°47′ – 23°26′ = 35°13′ – 23°26′ = 11°47′

Tutaj również możemy wykorzystać wynik z pierwszego obliczenia, a na końcu ponownie warto przekształcić 35°13′ na 34°73′ żeby łatwiej było dokonać prawidłowego obliczenia.

Uzyskany zakres wskazuje, że Słońce nad Władysławowem zimą świeci zaledwie pod kątem 11°47′, a latem uzyskuje 58°39′.

Przykład drugi: Tarnów

Wałbrzych jest miastem w Polsce południowej w województwie małopolskim. Szerokość geograficzna (φ) miasta to: 50°01’N, jest więc o ponad 4° bliżej równika niż Władysławowo.

  • 21 marca i 23 września: 90° – 50°01′ = 39°59′

Podane obliczenie warto najpierw uprościć do wartości: 89°60′ – 50°01′, żeby nie pomylić się i pamiętać, że 1° = 60′.

  • 22 czerwca: 90° – 54°47′ + 23°26′ = 39°59′ + 23°26′ = 63°25′

Pamiętajmy, że pierwszą część działania mamy już wykonaną i do wyniku wystarczy dodać 23°26′. Uzyskany wynik przekroczy 60′, należy więc pamiętać o dodaniu jednego pełnego stopnia.

  • 22 grudnia: 90° – 54°47′ – 23°26′ = 39°59′ – 23°26′ = 16°33′

Tutaj również możemy wykorzystać wynik z pierwszego obliczenia.

Kąty świecenia Słońca we wszystkich dniach roku będą w Tarnowie wyższe niż we Władysławowie. Różnica wynosi ponad 4° w każdym z wykonanych obliczeń. M.in. z tego powodu w Polsce południowe jest średnio cieplej niż w Polsce północnej.

2. Oświetlenie Ziemi a strefowość środowiska przyrodniczego

Drugim istotnym skutkiem ruchu obiegowego będzie różnica w oświetleniu Ziemi rozumiana nie tylko jako wysokość kąta górowania Słońca, ale też długości dnia i nocy. Obserwując ruch Ziemi wokół Słońca możemy wyróżnić trzy główne obszary oświetlenia:

Sfery oświetlenia Ziemi na mapie świata

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

Istnienie zróżnicowanych obszarów oświetlenia rodzi bezpośrednie konsekwencje dla ziemskiego klimatu. To właśnie ilość i nierównomierność dostarczanej energii Słonecznej stanowi absolutną podstawę dla podziału stref klimatycznych na naszej planecie. Jej podstawowym wyznacznikiem jest temperatura powietrza, zależna głównie od ilości dostarczanej energii słonecznej.

Średnia roczna temperatura powietrza na Ziemi według szerokości geograficznej

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/aa/Annual_Average_Temperature_Map.jpg

Łatwo zaobserwować, że obszary najcieplejsze na Ziemi to te, które znajdują się w strefie międzyzwrotnikowej a więc tam, gdzie Słońce w ciągu roku stale świeci pod wysokim lub bardzo wysokim kątem. Z kolei obszary polarne, gdzie Słońce świeci pod niskim kątem lub wręcz wcale (noc polarna) to tereny najchłodniejsze.

Na podstawie przebiegu globalnej temperatury powietrza Świat podzielono ponadto na 5 głównych stref klimatycznych: Najcieplejsze: równikową i zwrotnikową, dość ciepłą podzwrotnikową, wyraźnie chłodniejszą umiarkowaną (w niej leży Polska) oraz najchłodniejszą – okołobiegunową. Każda z nich różni się jeszcze w zależności od innych czynników, jednak przebieg granic stref klimatycznych jest zbliżony do globalnego rozkładu średniej temperatury powietrza.

Podstawowy podział Świata na główne strefy klimatyczne i typy klimatu

Źródło: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/RC46OoygtzMlF/6/960/2aoi9Wb5QUBiULPvWdCv7YjgSV1mcCNR.png

Układ globalnych stref klimatycznych wpływa z kolei na ostatni istotny element środowiska przyrodniczego jakim jest układ stref klimatyczno-roślinnych. To własnie z tego powodu – mającego swój początek w zróżnicowanym oświetleniu Ziemi, otaczają nas określone krajobrazy przyrodnicze.

Strefy roślinności na Ziemi na tle granic stref klimatycznych

Źródło: Edycja własna na podstawie: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/RC46OoygtzMlF/6/960/2aoi9Wb5QUBiULPvWdCv7YjgSV1mcCNR.png oraz https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R1Qn0Qm6cY1eO/10/1jIdhdAlEumoMXvzgBPnNpNRLfIdDzV9.png

3. Relacje Ziemia-Słońce-Księżyc

Skutkiem zarówno ruchu obiegowego, jak i częściowo ruchu obrotowego, jest występowanie na Ziemi zjawisk związanych z układem trzech ciał – Ziemi oraz Słońca i Księżyca. Gdy Ziemia orbituje wokół Słońca, Księżyc okrąża Ziemię. Wzajemny układ tych ciał w różnych konfiguracjach, powoduje istnienie kilku interesujących zjawisk. Pierwszym z nich jest zjawisko zaćmienia.

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.

Zaćmienie Słońca – mechanizm powstawania (kliknij, aby powiększyć)

Źródło: Opracowanie własne: Dominika Szymczak
  • 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 Księżyca – mechanizm powstawania (kliknij, aby powiększyć)

Źródło: Opracowanie własne: Dominika Szymczak

Druga interesująca grupa zjawisk obejmuje pływy morskie. Pływy  to zmiana wysokości poziomu morza – podnoszenie (przypływ) i opadanie (odpływ). Pływy powodowane są przez działanie siły odśrodkowej wynikającej z ruchu obrotowego Ziemi oraz sił przyciągania Księżyca i Słońca (w mniejszym stopniu). W ciągu każdej doby Księżycowej (czyli w czasie około 24 godzin i 50 minut – czas potrzebny do kolejnego górowania Księżyca) występują 2 przypływy i 2 odpływy. Średni czas pomiędzy kolejnymi przypływami wynosi 12 godzin i 27 minut.

Schemat powstawania pływów w różnych fazach Księżyca (kliknij aby powiększyć)

Źródło: Edycja własna na podstawie: https://oceanservice.noaa.gov/facts/springtide.gif

Siła pływów zależy od wzajemnego układu Ziemia-Słońce-Księżyc.

  • Jeżeli Słońce i Księżyc znajdą się w linii prostej z Ziemią – powstają wówczas silniejsze pływy syzygijne (zarówno, gdy Księżyc znajduje się między Słońcem i Ziemią – w Nowiu, jak i gdy Księżyc znajduje się za Ziemią – w Pełni – siły nakładają się i potęgują).
  • Z kolei gdy między Słońcem, Ziemią i Księżycem powstaje kąt prosty (1 i 3 kwadra) powstają słabsze pływy kwadraturowe (siły działają w innych kierunkach).

Zjawisko pływów jest obserwowane na Ziemi w bardzo różnym stopniu. Na małych i płytkich zbiornikach np. na Morzu Bałtyckim, pływy prawie w ogóle nie występują (stąd Bałtyk nazywamy jest morzem bezpływowym – pływy wynoszą maksymalnie kilka centymetrów). Są jednak miejsca na świecie, gdzie pływy potrafią być mierzone w kilkunastu metrach. Najbardziej znanym miejscem o olbrzymich pływach jest Zatoka Fundy w Kanadzie. Średnie pływy wynoszą około 11 metrów (syzygijne – 15 metrów), ale zdarzają się pływy dochodzące nawet do 20 metrów. Do znanych miejsc w Europie należy Mont Saint-Michel – wyspa w północnej Francji (nad Kanałem La Manche), która w czasie przypływu traci kontakt ze stałym lądem, a w czasie odpływu można suchą stopą przejść do Normandii.

Odpływ i przypływ w Zatoce Fundy w Kanadzie

Źródło: http://blog.cwf-fcf.org/wp-content/uploads/2015/12/BayFundy.jpg

4. Czas słoneczny 

W tym temacie wskazano, że możliwe jest obliczenie czasu słonecznego zwanego również miejscowym albo lokalnym. Wiedząc, że czas obrotu wokół własnej osi (względem tego samego ustawienia do Słońca z uwzględnieniem przemieszczenia w ruchu obiegowym) wynosi 24 godziny, a ziemia w tym czasie obraca się o 360°, możemy wywnioskować że:

  • Pełny obrót: 360° – 24 godziny (1440 minut)
  • Obrót o 15° – 1 godzina (60 minut)
  • Obrót o 1° – 4 minuty

Dzięki temu, możliwe jest obliczenie precyzyjnego czasu słonecznego w dowolnym miejscu na Ziemi. Wystarczy do tego znajomość długości geograficznej wybranego miejsca. Poniżej dwa przykłady prostych zadań z rozwiązaniami:

Zadanie 1 – Oblicz godzinę czasu słonecznego w Warszawie (52°N 21°E), wiedząc, że w Pekinie (40°N 116°E) jest godzina 13:31.

Rozwiązanie krok po kroku:

  • Pierwszy krok to wybór właściwych współrzędnych. Różnicę czasu oblicza się na podstawie różnicy długości geograficznej – dlatego wybieramy współrzędne 21°E i 116°E.
  • Warszawa i Pekin leżą na tej samej półkuli (wschodniej). W tej sytuacji wartości długości geograficznej odejmuje się: 116° – 21° = 95°.
  • 1° = 4 minuty. Korzystając z tej prawidłowości obliczamy różnice czasu: 95° * 4 min. = 380 min. = 6 godzin i 20 minut.
  • Wiedząc, że w Pekinie jest 13:31 obliczamy godzinę w Warszawie. Warszawa leży na zachód od Pekinu, a więc jest tam godzina wcześniejsza (nie było jeszcze tej godziny, która jest już w Pekinie – gdzie Słońce pojawia się wcześniej): 13:31 – 6:20 = 7:11.

Rysunek pomocniczy (kliknij, aby powiększyć)

Źródło: Opracowanie własne

Odpowiedź: W Warszawie jest godzina 7:11 czasu słonecznego.

Zadanie 2 – Oblicz datę i czas słoneczny w Nur-Sułtan (51°N 71°E) podczas górowania Słońca w Los Angeles (34°N 118°W) w dniu 13.08.2019 r.

Rozwiązanie krok po kroku:

  • Wybieramy współrzędne długości geograficznej – 71°E (Nur-Sułtan) i 118°W (LA).
  • Los Angeles i Nur-Sułtan leżą na przeciwnych półkulach. W tej sytuacji wartości długości geograficznej dodaje się: 71° + 118° = 189°.
  • 1° = 4 minuty. Korzystając z tej prawidłowości obliczamy różnice czasu: 189° * 4 min. = 756 min. = 12 godzin i 36 minut.
  • Wiemy, że Słońce góruje w Los Angeles, co oznacza – że jest tam godzina 12:00 czasu słonecznego. Nur-Sułtan (dawniej Astana) – leży na wschód od Los Angeles, dlatego jest tam godzina późniejsza (innymi słowy południe słoneczne które dopiero jest w LA już dawno temu było w Nur-Sułtan): 12:00 + 12:36 = 00:36.
  • Przekroczyliśmy północ przesuwając się na wschód, dlatego należy dodać 1 dzień do kalendarza. Nowa data to 14.08.2019 r.

Rysunek pomocniczy (kliknij, aby powiększyć)

Źródło: Opracowanie własne

Odpowiedź: W Nur-Sułtan jest godzina 00:36 dnia 14.08.2019 r.


Zainteresował Cię ten temat?
Sprawdź bardziej rozbudowane opracowania o podobnej tematyce (dla liceum ogólnokształcącego):