Każda ziemska doba ma inną długość. Potrafimy to zmierzyć bez pomocy gwiazd

Zwolennicy teorii o płaskiej Ziemi, czy też osoby, które nie zbyt dobrze zaznajomione z prawami fizyki, mogą mieć kłopot ze zrozumieniem, dlaczego nie spadamy z Ziemi, skoro obraca się ona wokół własnej osi z prędkością aż 1670 km/h? Dlaczego astronautów nie wciska wciąż w fotele, gdy wraz z Międzynarodową Stacją Kosmiczną w ciągu półtorej godziny okrążają oni całą planetę?

Odpowiedź jest prosta. To dlatego, że poruszamy się z tą samą prędkością co otaczające nas przedmioty. Budynki, drzewa, poruszają się z tą samą prędkością co my, podobnie jak wnętrze Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Na dodatek ta prędkość jest praktycznie stała, nie podlegamy przyśpieszeniu (pojawia się ono, gdy zmieniamy kierunek ruchu, jego prędkość) w stopniu mierzalnym dla naszych zmysłów, by to odczuć.

Efekt ruchu obrotowego Ziemi widać na zdjęciach cyklonów, które na północnej półkuli zawijają się przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara, a na południowej zgodnie. Na zdjęciu cyklon nad Fidżi. (fot: NASA)

Ruch obrotowy Ziemi nie zawsze był czymś oczywistym

Dla laika pełen obrót Ziemia wykonuje w ciągu 24 godzin. Miłośnik astronomii zdaje sobie sprawę, że jest to trochę mniejsza wartość, bo te 24 godziny odnoszą się do położenia Ziemi względem Słońca, a rzeczywistości istotne są położenia gwiazd, które to dopiero można uznać za nieskończenie odległe. Gdy odnieść się do nich, to okaże się, że jeden pełen obrót Ziemi trwa 23 godziny 56 minut i 4 sekundy i prawie jedną dziesiątą sekundy. Te niespełna 4 minuty różnicy względem czasu zegarkowego sprawiają, że położenie gwiazd na niebie o tej samej porze zegarkowej zmienia się z dnia na dzień, choć widzimy to dopiero w skali tygodni.

Dziś ruch obrotowy Ziemi jest czymś oczywistym, choć to dopiero Kopernik wprowadził na dobre tę koncepcję do naszego myślenia. Ruszył on Ziemię, nie tylko wokół Słońca, ale, i przede wszystkim, także wokół własnej osi.

Realny czas jednego obrotu Ziemi nazywany jest dniem gwiazdowym. Czas jego trwania to również wartość przybliżona, lecz z ogromną dokładnością, bo nie wystarczy życia człowieka, by zmiany tej prędkości odegrały dla naszych zmysłów znaczącą rolę.

Nawet gdyby powyższe zdjęcie zamienić w ruchomy obraz, dopiero po kilku minutach odczulibyśmy, że Ziemia się porusza. (fot: NASA)

Jednak dla naukowych pomiarów, a także funkcjonowania takich urządzeń jak satelity GPS, tworzenia modeli pogodowych, jak i obserwacji astronomicznych, potrzebne są dokładniejsze pomiary długości ziemskiej doby.

Ziemia bowiem nie tylko zwalnia prędkość obrotową ze stulecia na stulecie, za co odpowiedzialny jest oddalający się powoli od naszej planety Księżyc. Oprócz tego ogólnego trendu szybkość rotacji Ziemi podlega wariacjom z dnia na dzień, gdyż nie jest ona w całości ciałem sztywnym, a na dodatek nawet jej oś obrotowa zmienia położenie. Czasem więc Ziemia przyśpiesza swój obrót, czasem zwalnia. A to oznacza, że w rzeczywistości obrót Ziemi o 360 stopni nie trwa za każdym razem tak samo długo.

Jak dokładnie możemy mierzyć szybkość obrotową Ziemi?

Najdokładniejsze dziś urządzenia przeznaczone do pomiaru tempa rotacji Ziemi znajdują się w Obserwatorium Geodezyjnym Wettzell w Monachium. Z ich pomocą można dokonywać pomiarów co trzy godziny, z dokładnością do ułamków milisekund w ciągu dnia. Jeśli więc ktoś zapytałby naukowców jak szybko obracała się Ziemia danego dnia, zdołają oni podać aż 8 wartości.

W przybliżeniu to będzie wciąż około 24 godzin, ale gdyby podać wyniki bez zaokrąglania, to okaże się, że w ciągu dwóch tygodni różnice w szybkości obrotowej Ziemi mogą sięgać nawet nawet 6 milisekund. Nawet, bo dla światła, którego prędkość ma znaczenie dla wykonywanych pomiarów, to szmat czasu. W 6 milisekund przebywa ono prawie 1800 km.

Gdybyśmy byli wyczuleni na różnice prędkości sięgające ułamków milisekund, to być może poczulibyśmy jak Ziemia przyśpiesza i zwalnia. To jednak nie ma miejsca i dla nas Ziemia obraca się idealnie płynnie.

W jaki sposób mierzona jest szybkość rotacji naszej planety?

Opracowanie najdokładniejszego systemu do pomiaru prędkości obrotowej Ziemi zajęło aż 20 lat. Urządzenie znajduje się w komorze ciśnieniowej, która eliminuje zmiany ciśnienia pod wpływem zmian temperatury, na dodatek jest umocowane do betonowej kolumny głęboko wkopanej w Ziemię, tak by tylko ruch obrotowy planety miał wpływ na pomiary.

Laser pierścieniowy w podziemiach instytutu geodezyjnego Wettzell, który służy pomiarom tempa rotacji Ziemi. (fot: Astrid Eckert / TUM)

Do pomiaru stosuje się układ laserów pierścieniowych. Wytwarzają one dwie wiązki, jedną poruszającą się zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, druga przeciwnie do tego ruchu. Ruch Ziemi wpływa na drogę jaką przebywa każda z tych wiązek i zarazem na wynik ich interferencji, który objawia się częstotliwością dudnienia o wartości 348,5 Hz.

Od tej wartości mamy odstępstwa, które są właśnie konsekwencją przyśpieszania i zwalniania ruchu obiegowego Ziemi. Możliwe jest wykrycie zmian na poziomie 1 do 3 milionowych części herca, które przekładają się na różnice rzędu ułamków milisekund w mierzonym czasie obrotowym Ziemi. Prawda, że proste?

A co z planetami, które nie są skaliste? Gwiazdami, galaktykami

Wiemy już, że prędkość rotacji Ziemi wokół własnej osi jest zmienna, ale te zmiany są tak małe, że dla naszych codziennych potrzeb i naszego samopoczucia wystarczy, gdy przybliżymy ją jedną stałą wartością.

Spoglądając się na Ziemię z bardzo daleka, zobaczylibyśmy, że pomimo stałej prędkości ruchu obrotowego stałej powierzchni Ziemi, inne jej elementy mogą tę prędkość mieć inną. To przede wszystkim gazy otaczające planetę, czyli atmosfera, chmury, ale nawet woda. One podlegają własnym regułom cyrkulacji, choć składowa związana z ruchem obrotowym Ziemi jest tu dominująca.

Jowisz, mozaika ze zdjęć wykonanych z sondy Cassini-Huygens w 2000 roku. (fot: ESA)  

Inaczej sprawy mają się w przypadku gazowych planet, takich jak Jowisz. Tutaj za powierzchnię uznajemy nie zestaloną materię, ukrytą głęboko pod gazową otoczką, ale widoczną z Ziemi zewnętrzną warstwę chmur, a ta porusza się z różnymi prędkościami.

Podobne wnioski można wyciągnąć zresztą nie tylko w przypadku planet gazowych, ale również gwiazd. Wieloletnie obserwacje Słońca przekonały nas, że jego równikowe części wykonują jeden obrót w około 30 dni, a częściom podbiegunowym ten sam obrót zajmuje 24 dni. W przypadku Jowisza, różnica w czasie rotacji równikowych i biegunowych regionów jest mniejsza i wynosi tylko 6 minut, ale też sama planeta, a raczej widoczna warstwa chmur, obraca się znacznie szybciej, bo w ciągu niespełna 10 godzin.

Zagadnienie można rozszerzyć jeszcze bardziej, do skali galaktyk. Gwiazdy i materia w ich wewnętrznych regionach poruszają się szybciej niż obiekty dalej od centrum galaktyki. Wyjaśnienie tego na pozór prostego faktu wcale nie jest takie proste. Oprócz widzialnej materii, większość galaktyk musi być zbudowana także z czegoś czego nie widać - ciemnej materii.

Żródło: inf. własna, Politechnika w Monachium (TUM), fot. wejściowe:NASA