Ruch Ziemi wokół własnej osi nazywamy ruchem obrotowym albo wirowym – lub z języka angielskiego – rotacją. Ziemia kręci się wokół nachylonej względem płaszczyzny osi obrotu w kółko. Ten trwający niecałe 24 godziny ruch, powoduje bardzo ważne skutki dla życia na Ziemi, odpowiadając m.in. za istnienie zjawiska czasu.
Spis tematów (kliknij, aby przejść do wyboru tematów)
Ruchy Ziemi
II Obrót Ziemi wokół własnej osi
1. Cechy ruchu obrotowego Ziemi
Ziemia – podobnie jak inne ciała niebieskie – obraca się wokół własnej osi. Niektóre ciała niebieskie (np. Jowisz, Saturn) obracają się znacznie szybciej niż Ziemia, z kolei inne (np. Merkury, Wenus) – znacznie wolniej. Z punktu widzenia mieszkańców naszej planety wydaje się, że to obiekty widoczne na niebie (np. Słońce) przemieszczają się. Jest to jednak obserwacja pozorna – w rzeczywistości obraca się Ziemia, a my – wraz z nią.
Ruch obrotowy Ziemi odbywa się z zachodu na wschód – kliknij aby obejrzeć
Źródło: https://youtu.be/-yimE7vfayw
Ziemia obraca się z zachodu na wschód (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, patrząc z rzutu na biegun północny). By wykonać jeden pełny obrót (zatoczyć koło – 360°) potrzeba w rzeczywistości dokładnie 23 godzin 56 minut i 4 sekund. Jednak ponieważ w tym samym czasie Ziemia przemieści się także w ruchu obiegowym wokół Słońca, w tej samej pozycji oświetlenia dokładnie tych samych miejsc znajdzie się po 24-godzinnej dobie słonecznej. Stąd właśnie taka długość trwania na Ziemi jednego dnia.
Ziemia wykonuje wokół własnej osi ruch, zataczając pełne koło. Przyjmując za czas obrotu 24-godziny, można dostrzec kilka prawidłowości w ruchu obrotowym w relacji kąt – czas potrzebny do jego pokonania:
- Pełny obrót: 360° – 24 godziny (1440 minut)
- Obrót o 15° – 1 godzina (60 minut)
- Obrót o 1° – 4 minuty
Te prawidłowości są dosyć istotne w kontekście zjawiska czasu – co opisano dokładnie w dalszej części tekstu.
Istotną ciekawostką jest, że choć cała planeta porusza się z jednakową prędkością kątową (a więc np. w ciągu godziny – każdy fragment terenu na Ziemi wykona obrót o 15°) to jednak różne fragment Ziemi – ze względu na różną długość równoleżników – poruszają się z inną prędkością rzeczywistą zwaną w tym przypadku prędkością liniową. I tak np. równik pędzi z prędkością aż 1600 km/h, ponieważ w ciągu 24 godzin musi pokonać 40 075 km. Polska przemieszcza się średnio z prędkością około 1000 km/h, a bieguny (które mają długość 0 km) stoją w miejscu. Człowiek nie odczuwa tej olbrzymiej prędkości, ponieważ znajduje się w ciągłym ruchu – wraz z Ziemią.
Prędkość liniowa obrotu Ziemi na różnych szerokościach geograficznych
Źródło: https://sciengsustainability.blogspot.com/2013/04/faster-than-sound-our-velocity-due-to.html?utm_content=buffer1b05c&utm_medium=social&utm_source=twitter.com&utm_campaign=buffer&fbclid=IwAR1DKlWJzJgNnFPqkS_Fa4G77HGdNeTuqkoLzC36CZx120zeCZWbaPbNnMI
2. Wybrane skutki ruchu obrotowego
Ruch obrotowy Ziemi rodzi wiele skutków, które rodzą bardzo poważne konsekwencje dla życia na Ziemi. Należą do nich:
- Pozorny ruch Słońca i innych ciał niebieskich na niebie
Ciała niebieskie przemieszczają się w ciągu doby w kierunku przeciwnym do ruchu obrotowego – ze wschodu na zachód. To właśnie dlatego pierwotnie sądzono, że to Słońce okrąża Ziemię (bo tak jest to obserwowane z Ziemi). Jednym z efektów jest pozorna wędrówka Słońca na niebie, obserwowana w postaci jego wschodu i zachodu (podczas gdy faktycznie to Ziemia się obraca).
Gwiazdy na niebie pozornie przemieszczają się – w rzeczywistości to Ziemia się obraca
Źródło: http://nightscapes.pl/wp-content/uploads/2014/04/Fotografia-ruchu-gwiazd1.jpg
- Występowanie dnia i nocy i wynikająca z tego rachuba czasu
Obrót Ziemi powoduje zmianę dobowego oświetlenia planety – część planety ustawiona względem Słońca jest oświetlona (dzień), a część nie (noc). Okres między kolejnymi oświetleniami pozwolił na zrozumienie zjawiska czasu i wymyślenie sposobów jego pomiaru. Dostosowany do tego zjawiska jest cały rytm życia biologicznego na Ziemi.
- Spłaszczenie Ziemi przy biegunach (wynikające z siły odśrodkowej)
Wszystkie ciała niebieskie wirujące wokół własnej osi są spłaszczone przy biegunach. Z tego powodu Ziemia w rzeczywistości nie jest kulą, a raczej elipsoidą obrotową. W konsekwencji promień równikowy Ziemi jest dłuższy od promienia biegunowego.
Wymiary Ziemi wynikające z jej spłaszczenia przy biegunach
Źródło: Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0, za: https://zpe.gov.pl/a/przeczytaj/Da2RYp6vd
W tym momencie warto wspomnieć, że w rzeczywistości Ziemia ma kształt najbardziej zbliżony do geoidy (uwzględnia zróżnicowane ukształtowanie powierzchni Ziemi, czego nie uwzględnia elipsoida obrotowa).
- Siła Coriolisa (zwana też Efektem Coriolisa) – powoduje odchylenie ruchu ciał poruszających się po Ziemi – na półkuli północnej – w prawo, na półkuli południowej – w lewo. Mówiąc precyzyjniej – siła Coriolisa powoduje odchylenie w kierunku zachodnim toru ciała poruszającego się po powierzchni Ziemi ku równikowi, a w kierunku wschodnim, gdy ciało porusza się w stronę któregoś z biegunów, czyli ku osi obrotu.
Kierunek odchylenia ciał w wyniku działania siły Coriolisa
Linie przerywane – ruch bez siły Coriolisa
Linie ciągłe – ruch po uwzględnieniu siły Coriolisa
Źródło: Opracowanie własne – Krzysztof Grabias.
Działanie siły dotyczy wszelkiego przemieszczania, wyjątkiem są ciała znajdujące się na równiku – tylko tam siła nie działa. W praktyce działanie siły można łatwo wytłumaczyć – w czasie przemieszczania się ciała, Ziemia pod nim obraca się, a więc w rzeczywistości ciało nie przemieszcza się (np. dokładnie na północ czy południe), ale jego ruch jest odchylony. Znaczenie siły jest większe, niż mogłoby się wydawać. Wpływa na ruch wiatrów stałych (pasatów) i okresowych (monsunów), ale też umożliwia zaistnienie zjawiska wiatrów o ruchu wirowym (np. cyklonów tropikalnych – huraganów). Nawet ruch prądów morskich jest odchylony przez Siłę Coriolisa.
- Występowanie pływów morskich (przy współudziale Księżyca i Słońca)
Złożone zjawisko wzajemnych zależności na osi Ziemia-Słońce-Księżyc, którego skutkiem jest występowanie przypływów i odpływów, a jedną z przyczyn jest ruch obrotowy Ziemi. Szczegóły zjawiska opisane zostały w tym temacie (kliknij aby przejść).
3. Zjawisko czasu na Ziemi
Jedną z najważniejszych konsekwencji ruchu obrotowego Ziemi jest zjawisko czasu. Obrót Ziemi wokół własnej osi z powrotem do pierwotnego ustawienia względem Słońca uwzględniający także ruch obiegowy, trwa jak już wspomniano – 24 godziny czyli 1440 minut. Ponieważ Ziemia znajduje się w ciągłym ruchu, w każdym jej punkcie (przemieszczając się wzdłuż dowolnego równoleżnika) faktyczny stan oświetlenia jest inny – inna jest więc też rzeczywista godzina wyznaczana przez świecące Słońce, a więc tzw. czas słoneczny. Ponieważ pełny kąt obrotu Ziemi wokół własnej osi to 360°, co oznacza obrót o 15° co godzinę i o 1° co 4 minuty, można z dużą dokładnością obliczyć rzeczywisty czas miejscowy (lokalny, słoneczny) na każdej długości geograficznej. Szczegóły tego zagadnienia opisano w tym temacie (kliknij aby przejść). Zasada działania czasu na Ziemi jest dość ogólnie łatwo zrozumiała. Przemieszczając się na wschód udajemy się w miejsce wcześniej „odwiedzone” przez Słońce – a faktycznie takie, którym Ziemia już ustawiła się do oświetlenia przez nie. Oznacza to, że jest tam późniejsza godzina czasu niż w miejscu, w którym się znajdujemy. Dokładnie odwrotnie jest gdy przemieszczamy się na zachód – Słońca jeszcze tam „nie było”, a więc jest tam godzina wcześniejsza – Ziemia dopiero ustawi się tą częścią do oświetlenia.
Ponieważ na Ziemi nie jest możliwe funkcjonowanie w oparciu o godzinę wyznaczaną przez faktyczne świecenie Słońca w danej chwili, postanowiono to uporządkować wymyślając tzw. czas strefowy. Co 15° długości geograficznej wyznaczono jedną strefę czasową, co pozwoliło podzielić całą planetę na 24 takie strefy.
Mapa stref czasowych i czasu urzędowego na Ziemi (zimą) (kliknij aby powiększyć)
Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/88/World_Time_Zones_Map.png/1920px-World_Time_Zones_Map.png
Faktycznie podział zaczyna się w Londynie, który stanowi centrum strefy 0 (UTC 0), a strefa rozciąga się 7°30’W i 7°30’E od Londynu. Kolejne strefy maja więc nieregularne początki. Np. Polska mieści się w większości w strefie od 7°30′ do 22°30’E (UTC +1), ale wschodnie krańce kraju znajdują się już w kolejnej strefie (UTC +2). Z tego powodu wprowadzono jeszcze jeden rodzaj czasu – czas urzędowy. Oparty jest on o czas strefowy i długość geograficzną danego miejsca, ale uwzględnia przebieg granic państwowych. I dzięki temu kraje takie jak Polska – geograficznie położone w kilku strefach, utrzymują jeden wspólny czas w całym państwie. Niektóre kraje (np. Rosja, USA czy Australia) są jednak tak duże, że obowiązuje w nich kilka stref czasowych.
Początek określania stref czasowych ustalono na południku 0° przebiegającym przez Londyn. Pozostało jeszcze ustalić, w jaki sposób określić początek nowej doby. Po drugiej stronie Ziemi – przedłużeniem południka 0° jest południk 180°, który w naturalny sposób nadawał się na taką granicę – przebiegał przez prawie niezamieszkały i niemal w całości pozbawiony lądów Ocean Spokojny. W ten sposób opracowano koncepcję międzynarodowej linii zmiany daty – czyli miejsca, którego przekroczenie będzie oznaczało zmianę dnia w kalendarzu, z zachowaniem godziny wynikającej z czasu słonecznego.
Ostatecznie ustalono przebieg międzynarodowej linii zmiany daty z uwzględnieniem granic państw na Oceanie Spokojnym (a wiec tylko częściowo wzdłuż południka 180°). Istnieją od tej strefy pewne wyjątki, obejmujące wyspiarskie kraje np. Kiribati.
Międzynarodowa Linia Zmiany Daty
Źródło: Opracowanie własne na podstawie: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/88/World_Time_Zones_Map.png/1920px-World_Time_Zones_Map.png
Zasada działania Międzynarodowej Linii Zmiany Daty zasadniczo jest dosyć prosta. Przekraczając ją w kierunku zachodnim (w lewo – z półkuli zachodniej na półkulę wschodnią): dodajemy 1 dzień, natomiast przekraczając ją w kierunku wschodnim (w prawo – z półkuli wschodniej na półkulę zachodnią): odejmujemy 1 dzień.
Brak komentarzy