Obroty Ziemi – jaki mają na nas wpływ i dlaczego się zmieniają?

Nawet dzieci z pierwszych klas szkoły podstawowej wiedzą, że Ziemia nieustannie się obraca wokół własnej osi, a zjawisku temu zawdzięczamy istnienie dnia i nocy. Mało kto wie jednak, że fenomen ten nie jest tak stały i niezawodny, jak można by się tego było spodziewać. Czy obroty Ziemi mogą wymknąć się spod kontroli powodując chaos cywilizacyjny? Są już i takie scenariusze.

1. Dlaczego Ziemia obraca się wokół własnej osi?
2. Jaki wpływ mają na ludzi obroty Ziemi?
3. Efekt Coriolisa
4. Spłaszczenie Ziemi
5. Czy Ziemia spowalnia swe obroty?
6. Obroty zmienia również jądro Ziemi!

Już starożytni Grecy obserwujący z fascynacją zmiany na niebie podejrzewali, że nasza planeta się obraca. W okresie średniowiecza do tego samego wniosku doszli niektórzy astronomowie z Azji. Potrzeba było jednak dopiero naszego genialnego rodaka, Mikołaja Kopernika, aby w XVI w. uznano obroty Ziemi za naukowy fakt. Teorię Polaka próbowano przez co najmniej sto lat obalić, ale dzięki Keplerowi, Galileuszowi i Newtonowi Ziemia obroniła się jako wirująca wokół swej osi kulista planeta.

Dlaczego Ziemia obraca się wokół własnej osi?

Pełen obrót względem Słońca zajmuje naszej planecie ok. 24 h. W stosunku do gwiazd runda ta jest nieco krótsza i trwa 23 godziny 56 minut i 4 sekundy. Warto dodać, że prawdziwy solarny dzień mierzony od południa do południa zmienia się nieco w zależności od takich czynników jak nachylenie orbity, ale w ciągu roku średnio wynosi 86 400 sekund. Dlaczego jednak wciąż się toczy?

Wbrew pozorom za obroty Ziemi nie odpowiada żadna wielka siła zewnętrzna zdolna do poruszania kosmicznymi kolosami – wręcz przeciwnie, impuls pochodzi z wewnątrz. Przed 4,6 miliarda lat uformował się nasz Układ Słoneczny. To wtedy właśnie wielka chmura gazów zaczęła się zapadać pod wpływem swojej własnej grawitacji. Zapadając się zaczęła wirować i kłębić i tak powstały planety. Zagęszczona materia wciąż jednak wirowała i to ze zwiększoną prędkością – niczym łyżwiarz, który złoży ramiona, aby obracać się szybciej. Ów moment pędu pozostał Ziemi przez miliardy lat bowiem nie ma żadnej siły, która mogłaby go zatrzymać.

Jaki wpływ mają na ludzi obroty Ziemi?

Gdy dana strefa na Ziemi wskutek rotacji planety jest zasłonięta od Słońca, mówimy o nocy. Podział doby wbrew pozorom dotyczy jednak nie tylko światła, ale także temperatury, a co za tym idzie wilgotności. To dzięki obrotom planety przez większość roku doświadczamy więc chłodnych poranków i przyjemnych popołudni. A ponieważ nasza planeta jest nachylona pod kątem 23.5° w poszczególnych okresach roku noce są krótsze lub dłuższe.

Dla ludzi obroty Ziemi stały się również przyczyną wprowadzenia stref czasowych. Logicznie podzieliliśmy więc pełen obrót wokół osi, czyli 360°, na 24 kawałki, z których każdy odpowiada 15° długości geograficznej. A ponieważ planeta rotuje z zachodu na wschód, w Ameryce czas jest opóźniony nawet o 8 godzin w stosunku do Europy.

Bardzo ciekawym efektem obrotów Ziemi są przypływy i odpływy. Otóż woda obecna w światowych oceanach pozostaje na swoim miejscu dzięki grawitacji naszej planety. Oddziałują jednak na nią również grawitacja Słońca i Księżyca. Gdy dany ocean wyeksponowany jest na ich działanie, następuje „wybrzuszenie” w powierzchni wody i mamy do czynienia z przypływem. Wskutek efektu wirówki występuje on jednocześnie na dwóch przeciwnych stronach Ziemi, podczas gdy w innych strefach obserwuje się oczywiście odpływ. A ponieważ sytuacja powtarza się z dokładnością zegarka co 24 godziny, w ciągu każdej doby pojawiają się dwa przypływy i dwa odpływy.

Dla ludzi przez długie tysiąclecia przypływy i odpływy były kluczowym czynnikiem planowania podróży, a później także generowania elektryczności. Warto bowiem wiedzieć, że w rzekach uchodzących do oceanów kierunek przepływu wody zmienia się wraz z przypływami – do niektórych koryt wlewają się więc wówczas duże ilości słonej wody.

Efekt Coriolisa

Wyobraźmy sobie obracającą się płytę gramofonową, po której puścimy prostym torem szklaną kulkę. Mimo, że kulka de facto potoczy się do przodu, dla obserwatora patrzącego z boku wydaje się jednak, że zakręci robiąc łuk. Ten prosty eksperyment obrazuje tzw. efekt Coriolisa, czyli opisane w XIX w. zjawisko, zgodnie z którym w obracającym się układzie widzianym z zewnątrz dochodzi do zakrzywienia toru poruszającego się ciała.

Ponieważ Ziemia się obraca, zgodnie z efektem Coriolisa zrzucenie jakiegoś przedmiotu z wysokiej wieży spowoduje, że spadając odchyli się on w kierunku wschodnim (zjawisko to nie dotyczy jedynie biegunów). Większość ludzi nigdy nie zaobserwuje tego fenomenu, ale ma on dość istotny wpływ na życie na naszej planecie, przede wszystkim w zakresie pogody.

Wskutek obrotów Ziemi wiatry na północnej półkuli zakręcają w lewą stronę, a te na południowej zaś w prawo. Analogicznie, na północy cyklony poruszają się przeciwnie do wskazówek zegara, zaś prawe brzegi rzek są zawsze bardziej podmywane. Na południu sytuacja jest dokładnie odwrotna. Siła Coriolisa oddziałuje nie tylko na masy powietrza, ale również wodę, co ma wpływ na formowanie się prądów morskich.

Zjawisko to można uznać za ciekawostkę, ale w rzeczywistości uwzględnia się je w lotnictwie, lotach kosmicznych oraz operacjach militarnych (wystrzeliwanie rakiet i torped).

Uwaga: Efekt Coriolisa daje się zaobserwować wyłącznie na obiektach przemieszczających się na duże dystanse – ponad 450 km. Im większa odległość i prędkość ruchu, tym efekt jest silniejszy. Wiry wodne i tornada są pod tym względem zbyt małe.

Spłaszczenie Ziemi

Przywykło się myśleć, że Ziemia jest kulą, która obraca się wokół własnej osi z określoną prędkością. Jeśli jednak człowiek mieszkający na Lofotach i człowiek z Hondurasu mają w przeciągu 24 godzin zrobić „kółko” w kosmosie, oczywiste jest, że nasz bohater z tropików musi podróżować znacznie szybciej. Faktycznie, Ziemia największą szybkość obrotu ma na równiku, podczas gdy na biegunach jest praktycznie nieruchoma. Ten właśnie fenomen sprawił, że globus spłaszczony jest od góry i dołu, a wybrzuszony w środku.

Czy Ziemia spowalnia swe obroty?

Wszystko wskazuje na to, że przed miliardami lat dni na Ziemi były znacznie krótsze. Dla człowieka, który na tej planecie jest zaledwie „chwilę”, zmiany są praktycznie niezauważalne, ale faktem jest, dzień się dotąd systematycznie wydłużał. Zdaniem naukowców owo przyhamowanie tempa i wydłużenie dnia mogło być przyczyną pojawienia się przed 2,4 miliardami lat pierwszych gatunków glonów, które dały nam… tlen. Z analiz skamieniałości wynika, że 1,4 miliarda lat temu doba miała 18 godzin, zaś 70 milionów lat temu 23,5 godziny.

Odpowiedź na pytanie, dlaczego Ziemia spowalnia znaleźć można… na Księżycu. To duże bądź co bądź ciało niebieskie oddziałuje na naszą planetę swoją siłą grawitacyjną, powodując jej lekkie wyhamowanie.

Co ciekawe, od jakiegoś czasu trend ten uległ zaskakującemu obróceniu i Ziemia przyspieszyła w swoim ruchu wirowym! 29 czerwca 2022 r. zanotowano absolutny rekord, gdy nasz planeta dokonała pełnego obrotu w czasie o 1,59 milisekundy szybszym niż 24 godziny. Tylko w 2020 r. takich rekordów odnotowano aż 20! Skąd ta zmiana opinii? Możemy tylko podejrzewać.

Jednym z prawdopodobnych wyjaśnień są tzw. chybotania Chandlera, czyli okresowe zmiany położenia osi obrotu Ziemi. To właśnie dzięki nim na przestrzeni 433 dni bieguny zmieniają lokalizację o kilka metrów. Od 2017 roku chybotania te stały się znacznie mniejsze, a dni znów zaczęły się skracać. Możliwą przyczyną przyspieszenia obrotów są także zmiany klimatyczne, a konkretnie topnienie pokrywy lodowej na biegunach, przez co zmniejsza się nacisk wywierany na wierzchołki naszego globu.

Czy to ma dla człowieka jakiekolwiek znaczenie? W ciągu naszego życia różnic w długości dnia raczej nie zaobserwujemy, ale ze zwalnianiem i przyspieszaniem tempa obrotów muszą jakoś radzić sobie naukowcy mierzący czas. W czasie, gdy dominowało hamowanie, od lat 70-tych dodali oni do globalnego zegara aż 27 sekund, aby wyrównać różnice. Teraz będą musieli zacząć czas zabierać. Czemu to takie ważne? Ze względu na technologię, która steruje dziś prawie wszystkim, a dla której nawet sekundowe zmiany mogą być źródłem poważnych zakłóceń. Nikt nie wie, jakie zmiany może przynieść odejmowanie sekund, ale ryzyko szacowane jest jako duże.

Obroty zmienia również jądro Ziemi!

W styczniu 2023 r. w magazynie „Nature Geoscience” ukazała się dość alarmująco brzmiąca publikacja dotycząca obrotów jądra Ziemi. Zdaniem naukowców z Pekinu jądro jak dotąd wirowało szybciej niż powierzchnia naszej planety, ale w 2009 r. drastycznie spowolniło. Wszystko wskazuje, że od tamtej pory zaczęło się obracać w odwrotnym kierunku!

Nie jest jasne co powoduje te zmiany, ale badacze otwarcie przyznają, że w sercu Ziemi panuje wieczny chaos. Być może to nawet samo jej przyciąganie grawitacyjne działa jako gigantyczny hamulec dla jądra. Czy mamy się czego obawiać?W tym przypadku najprawdopodobniej nie. Sugeruje się wręcz, że rotacje jądra zachodzą w 70-letnim cyklu i co 35 lat zmieniają się na przeciwny kierunek. Jednym widocznym tego efektem mają być nieznaczne zmiany w długości dnia oraz wariacje funkcjonowania pola magnetycznego naszej planety. Może jednak stara dobra Ziemia ma w zanadrzu jeszcze kilka niespodzianek?

Bibliografia