Ziemia podobnie jak inne ciała niebieskie obraca się wokół własnej osi. Ruch ten, pozornie niewidoczny z Ziemi, rodzi bardzo istotne konsekwencje. Tymczasem na Ziemi wydaje się, że to inne ciała niebieskie krążą wokół naszej planety.

Spis tematów (kliknij, aby przejść do wyboru tematów)


Wszechświat i Ziemia

IV Ruch obrotowy Ziemi

Ruch obrotowy (zwany też wirowym) to ruch ciała niebieskiego wokół własnej osi. Słowo „obrót” kojarzyć się tu powinno z ruchem w miejscu, bez zmiany pozycji względem gwiazdy.

Udowodnienie faktu istnienia ruchu obrotowego Ziemi dokonało się dopiero w 1851 r., kiedy swój eksperyment zaprezentował Jean Bernard Léon Foucault. Naukowiec skonstruował wahadło mające możliwość wahań w dowolnej płaszczyźnie pionowej. Powolna zmiana płaszczyzny ruchu wahadła względem Ziemi dowodzi jej obrotu wokół własnej osi.

Wahadło Foucaulta w Paryżu

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ae/Pendule_de_Foucault.jpg

1. Cechy ruchu obrotowego

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 dokładnie 23 godzin 56 minut i 4 sekund. Czas ten nazywamy dobą gwiazdową. W celu ułatwienia organizacji czasu na Ziemi przyjęto jednak rachubę czasu opartą na 24-godzinnej dobie słonecznej. W praktyce różnica ta nie rodzi istotnych konsekwencji dla obserwatora na Ziemi. Dla wszelkich obliczeń czasu, przyjmuje się dobę 24-godzinną.

Ruch obrotowy Ziemi odbywa się z zachodu na wschód – kliknij aby obejrzeć

Źródło: https://youtu.be/-yimE7vfayw

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

Powyższe prawidłowości nazywamy prędkością kątową obrotu Ziemi wokół własnej osi. Jednak prędkość obrotu można także zmierzyć w kilometrach na godzinę. Ze względu na kulisty kształt naszej planety, nie będzie ona jednakowa na całej Ziemi. Najwyższą prędkość będą miały obszary najszersze (równik), ponieważ znacznie większy obszar musi pokonać określony dystans w określonym czasie niż np. w okolicach bieguna. Prędkość z jaką poruszają się w ruchu obrotowym poszczególne punkty na Ziemi nazywamy prędkością liniową. Równik w ciągu 24 godzin musi pokonać około 40 075 km, co oznacza, że dowolny punkt na równiku musi poruszać się z prędkością prawie 1670 km/h. Obszary na szerokości geograficznej podobnej dla Polski poruszają się z prędkością około 1000 km/h. Z kolei bieguny nie poruszają się w ogóle – stoją w miejscu i ich prędkość w ruchu obrotowym wynosi 0 km/h (a także prędkość kątowa wynosi 0°).

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

Podsumowując – punkty na Ziemi poruszają się z taką samą prędkością kątową, ale różną prędkością liniową.

2. Skutki ruchu obrotowego

  • 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).

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 jest oświetlona (dzień), a część nie (noc). Okres między kolejnymi oświetleniami pozwolił na zrozumienie zjawiska czasu i wymyślenie sposobów jego pomiaru.

  • 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. Największe spłaszczenie w Układzie Słonecznym mają: Jowisz i Saturn (są spłaszczone nawet ponad 27-krotnie mocniej niż Ziemia).

Rzeczywiste wymiary Ziemi

Źródło: https://creative.ostrowski.czest.pl/wp-content/uploads/2014/09/rozmiary_ziemi.jpg

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 opisano w kolejnym punkcie.

3. Wpływ Księżyca na Ziemię 

Naturalny satelita Ziemi – Księżyc, w pewnym stopniu wpływa na życie na Ziemi. Księżyc krąży wokół Ziemi – wykonuje pełny obrót w ciągu 27 dni, 7 godzin i 43 minut, jednak ponowne znalezienie się Księżyca w tej samej fazie względem Ziemi zajmuje około 29 dni, 12 godzin i 44 minut. To właśnie od tego okresu pojawiło się pojęcie miesiąca – którego pierwotne znacznie określało czas między kolejnymi nowiami. Księżyc w istotny sposób wpłynął więc na pomiary czasu na Ziemi.

Co zaskakujące, Księżyc jest doskonale zsynchronizowany z Ziemią, tzn. jego obrót wokół własnej osi i obieg wokół Ziemi są trwają tyle samo (27 dni, 7 godzin i 43 minut – miesiąc gwiazdowy). Z tego powodu z Ziemi zawsze widoczna jest ta sama strona Księżyca. Nie zawsze jednak widoczny jest cały Księżyc – część Księżyca, którą widzimy – zmienia się codziennie. Można wyróżnić różne ilość faz Księżyca (najczęściej 8 lub 4), ale 4 z nich (kwadry – co około tydzień) mają istotne znaczenie:

  • Pierwsza kwadra – widoczna prawa połowa Księżyca
  • Pełnia (druga kwadra) – widoczny cały Księżyc
  • Trzecia kwadra – widoczna lewa połowa Księżyca
  • Nów (czwarta kwadra) – Księżyc całkowicie niewidoczny

Animacja faz Księżyca widzianych z Ziemi:

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c0/Lunar_libration_with_phase2.gif

Od słowa „kwadra” wzięło się nazewnictwo elementu najistotniejszego oddziaływania Księżyca na Ziemię – pływów morskich. Choć w całym procesie bierze udział także Słońce, to oddziaływanie Księżyca jest dużo silniejsze.

Pływy morskie 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