Ziemia w układzie słonecznym i we wszechświecie

Ruch obrotowy Ziemi i jego skutki

Ruch obrotowy Ziemi dokonuje się wokół jej własnej osi i trwa 23 godziny 56 minut 3,44 sekundy. Okres obrotu Ziemi wokół osi nazywamy dobą. Ruch obrotowy Ziemi, czyli ruch wirowy, dokonuje się z zachodu na wschód, a zatem przeciwnie do pozornego ruchu Słońca (Słońce na niebie przechodzi ze wschodu na zachód, bo Ziemia obraca się z zachodu na wschód).

Następstwa ruchu obrotowego Ziemi wpłynęły na wykształcenie się rytmu zmian w przyrodzie oraz na regulację życia cywilnego ludzi. Do najważniejszych należą:

• występowanie dnia i nocy,
• widoma wędrówka Słońca i gwiazd po niebie ze wschodu na zachód (stąd np. zmiany wysokości Słońca nad horyzontem obserwowane w ciągu dnia),
• spłaszczenie Ziemi na biegunach
• powstawanie siły Coriolisa powodującej odchylenia kierunku poruszania się ciał - w prawo na półkuli północnej i w lewo na południowej; podlegają jej m. in.: wiatry, prądy morskie, wody rzek,
• konieczność wprowadzenia dobowej rachuby czasu, stref czasowych i związanej z nimi granicy zmiany daty.

Współrzędne geograficzne

Położenie danego punktu na powierzchni Ziemi określa się za pomocą współrzędnych geograficznych - szerokości i długości geograficznej.

Obliczanie wartości współrzędnych geograficznych umożliwiają południki i równoleżniki. Obie współrzędne - szerokość i długość geograficzna są kątami i wyrażamy je w mierze kątowej - w stopniach, minutach i sekundach.

Szerokość geograficzna jest kątem zawartym między płaszczyzną równika a promieniem Ziemi przechodzącym przez dany punkt na jej powierzchni. Na północ od równika liczy się szerokość geograficzną północną, a na południe - południową. Wartość kąta szerokości geograficznej wynosi od 0° na równiku do 90° na biegunie. Oznaczamy ją jako N - północną i S - południową.

Długość geograficzna jest kątem zawartym między półpłaszczyznami południka początkowego (0°) i południka przechodzącego przez określony punkt na powierzchni Ziemi. Południk 0° ustalony został uchwałą Międzynarodowej Unii Geograficznej w 1911 roku wybrano ten, który przechodził przez główny teleskop w obserwatorium astronomicznym w Greenwich w Londynie. Określa się względem niego długość geograficzną.

Za pomocą południków i równoleżników określamy jednoznacznie położenie danego punktu na Ziemi, możemy także obliczać rozciągłość równoleżnikową i rozciągłość południkową.

Różnica szerokości geograficznej skrajnych punktów obszaru to rozciągłość południkowa, a różnica długości geograficznej skrajnie położonych punktów - rozciągłość równoleżnikowa.

Kształt i rozmiary Ziemi

Ziemia zbliżona jest swoim kształtem do kuli. W rzeczywistości Ziemia nie jest idealną kulą, ale nieregularną bryłą, której kształt nazwano geoidą. Geoida zbliżona jest kształtem do elipsoidy obrotowej, bryły powstałej przez obrót elipsy wokół jej osi. Odchylenie geoidy od elipsoidy ziemskiej tylko gdzieniegdzie przekracza 100 m. 

Parametry Ziemi:

• średni promień: 6371 km,
• powierzchnia: 510 mln km2 - w tym lądy 148 mln km2 (29%),
• oceany i morza 362 mln km2 (71%)
• objętość: 1083 mld km3
• masa: 5,973 x 1024 kg
• obwód: 40 030 km
• jednostopniowy łuk koła
• wielkiego: 111,19 km
• jednominutowy łuk koła wielkiego: 1853 m. (mila morska)

Ziemia posiada pole magnetyczne. Nie jest ono stałe. Ulega zmianom dobowym, rocznym i wiekowym. Położenie biegunów magnetycznych nie pokrywa się z położeniem biegunów geograficznych. Kąt, o jaki igła magnetyczna kompasu odchyla się od południka geograficznego, nazywa się deklinacją.

Bieguny magnetyczne położone są na Ziemi w punktach o współrzędnych geograficznych (dane z 1987 r.):

• na Grenlandii, na 78° szerokości geograficznej północnej i 105° długości geograficznej zachodniej
• na Antarktydzie, na 66° szerokości geograficznej południowej i 105° długości geograficznej wschodniej

Na biegunach magnetycznych igła busoli ustawia się prostopadle do powierzchni Ziemi.

Układ Słoneczny

Pod pojęciem Układu Słonecznego rozumiemy Słońce i wszystkie ciała niebieskie, które poruszają się w jego polu grawitacyjnym. Układ Słoneczny powstał ok. 5 mld lat temu z obłoku materii pyłowo-gazowej. Wyróżnia się w nim następujące obiekty: Słońce, planety, księżyce, planetoidy, komety i meteroidy. Oto ich krótka charakterystyka:

Słońce jest gwiazdą i centralnym ciałem Układu. W jego wnętrzu, (jak w każdej gwieździe), zachodzą reakcje jądrowe, dzięki którym Słońce świeci (jak każda gwiazda) światłem własnym. Zbudowane jest głównie z wodoru i helu, które stanowią 99,9% liczby atomów. Resztę stanowią atomy kilkudziesięciu cięższych pierwiastków. Słońce skupia 99,87% masy całego Układu. Ma kształt kuli o średnicy około 109 razy większej od średnicy Ziemi.

Planetą nazywamy obiegające gwiazdę ciało niebieskie, o średnicy ponad 1000 km, wewnątrz którego nie zachodzą reakcje syntezy jądrowej stanowiące źródło energii dla gwiazd.

Planetoidy, zwane też asteroidami lub planetkami, to ciała niebieskie o umownej średnicy od 1 km do 1000 km, często o nieregularnych kształtach, powstałe z rozbicia planety lub z resztek tworzywa Ukłau Słonecznego. Najwięcej ich krąży między orbitami Marsa i Jowisza w pasie planetoid.

Planetka, która obiega większą od siebie planetę, nazywana jest księżycem. Księżyc obiega więc planetę, a z nią Słońce. W Układzie Słonecznym jest 61 księżyców.

Komety są ciałami obiegającymi gwiazdę centralną, przeważnie po wydłużonych orbitach, zbudowanymi głównie z "brudnego" lodu. Ich rozmiary wahają się od 1 do 20 km.

Do meteroidów zaliczamy krążące wokół Słońca małe bryły skał o rozmiarach mniejszych niż kilometr.

W Układzie Słonecznym jest 9 planet. Wszystkie obiegają Słońce w jednym kierunku. Ich orbity, oprócz Merkurego i Plutona, leżą w przybliżeniu w jednej płaszczyźnie. Planety dzielą się na planety ziemiopodobne oraz planety olbrzymie.

Planety ziemiopodobne  - Merkury, Wenus, Ziemia, Mars - odznaczają się niewielkimi rozmiarami, dużą gęstością, podobną warstwową budową wewnętrzną i twardą powierzchnią. Każda ma żelazne jądro otoczone płaszczem. Krążą blisko Słońca po ciasno rozmieszczonych orbitach.

Planety olbrzymie - Jowisz, Saturn, Uran i Neptun  są wielkie, o małej gęstości, zbudowane głównie z substancji ciekłych i gazowych. Każda z nich ma prawdopodobnie skaliste jądro. Są znacznie oddalone od Słońca i ich orbity dzielą duże odległości.

Pluton jest planetą nietypową - małą, posiadającą twardą powierzchnię (jak ziemiopodobne), ale bardzo oddaloną od Słońca (jak olbrzymie). Charakteryzuje go średnia gęstość. Ma bardzo wydłużoną orbitę leżącą w wyraźnie innej płaszczyźnie niż "średnia" płaszczyzna ruchu innych planet. Ciągle tradycyjnie zaliczany do planet - jest prawdopodobnie największym obiektem w pozaneptunowym, nowo odkrytym pasie lodowych (a nie skalnych) planetoid. Takie bardzo odległe planetoidy odkrywane są lawinowo od 1992 r.

Przestrzeń między ciałami Układu Słonecznego wypełnia międzyplanetarny gaz i pył (około 5 atomów na cm3 w okolicy Ziemi).

Ruch obiegowy Ziemi wokół Słońca i jego następstwa

Ziemia (jak inne planety) dokonuje dwojakiego rodzaju ruchów - ruchu obrotowego wokół własnej osi oraz ruchu obiegowego wokół Słońca. Fakt    ten odkrył Mikołaj Kopernik, ogłaszając teorię heliocentryczną. Teoria ta, opisująca ruchy obiegowe wszystkich planet, udoskonalona została przez Johannesa Keplera.

Ruch obiegowy dokonuje się po eliptycznej orbicie wokół Słońca, które nie znajduje się w środku tej elipsy, ale w jednej z jej ognisk. Stąd odległość planet od Słońca zmienia się w czasie ruchu obiegowego. Punkt najbardziej oddalony to aphelium (Ziemia osiąga go ok. 3 lipca gdy oddala się od Słońca na odległość ok. 152 mln km). Miejsce na orbicie, w którym planeta najbardziej zbliża się do Słońca to peryhelium (przez Ziemię osiągane ok. 2 stycznia gdy Ziemia zbliża się do Słońca na odległość 147 mln km).

Ruch obiegowy Ziemi

Planety obiegają Słońce po coraz to bardziej oddalonych od niego orbitach, w następującej kolejności: Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun i Pluton. Średnia odległość Ziemia - Słońce wynosi 150 mln km.  Jeden pełny obieg Ziemi wokół Słońca trwa 365 dni 5 godzin 48 minut i 49 sekund (rok)

Podczas obiegu naszej planety wokół Słońca, oś obrotu Ziemi nachylona jest do płaszczyzny orbity pod kątem 66°34'. Stałe położenie osi ziemskiej w przestrzeni podczas ruchu obiegowego jest przyczyną zmieniającego się w rytmie rocznym oświetlenia i ogrzania powierzchni Ziemi.

21 III i 23 IX promienie słoneczne padają na równiku prostopadle do płaszczyzny horyzontu (Słońce góruje w zenicie). Są to dni równonocy - dzień trwa tak samo długo jak noc. 21 III na półkuli północnej rozpoczyna się astronomiczna wiosna, a 23 IX astronomiczna jesień. Poza kołem podbiegunowym północnym od 21 III do 23 IX występują dni polarne, a na półkuli południowej poza kołem podbiegunowym - noce polarne. Od 23 IX do 21 III sytuacja jest odwrotna - dni polarne występują w strefach podbiegunowych na półkuli południowej, a noce polarne na północy.

21 VI promienie słoneczne padają na zwrotniku Raka prostopadle do płaszczyzny horyzontu. Na półkuli północnej jest to najdłuższy dzień w roku - dzień przesilenia letniego. Data ta rozpoczyna astronomiczne lato na półkuli północnej. 

22 XII promienie słoneczne padają na zwrotniku Koziorożca pionowo na płaszczyznę horyzontu. Data ta rozpoczyna astronomiczną zimę dla półkuli północnej. Jest to najkrótszy dzień w roku dla tej półkuli.

Następstwa ruchu obiegowego Ziemi i nachylenia osi jej obrotu do płaszczyzny orbity:

• występowanie stref oświetlenia: strefy międzyzwrotnikowej, dwóch stref umiarkowanych szerokości geograficznych, dwóch stref podbiegunowych, czyli polarnych; w strefie międzyzwrotnikowej Słońce może górować w zenicie (raz w roku - na zwrotnikach; dwa razy na rok gdzie indziej); w strefach polarnych Słońce może być widoczne ponad 24 godziny (dni polarne),
• występowanie pór roku, gdyż te same miejsca na Ziemi otrzymują w ciągu roku zmienną ilość ciepła i światła,
• zmiany w ciągu roku wysokości Słońca nad horyzontem w momencie górowania,
• zmienna długość dnia i nocy w ciągu roku,
• zmienne w ciągu roku punkty wschodu i zachodu Słońca na horyzoncie
• występowanie stref klimatycznych i podporządkowanych im stref roślinnych i glebowych,
• zmieniające się w ciągu roku widoczne gwiazy (stąd gwiazdozbiory letnie i zimowe).

Miejsce Ziemi we Wszechświecie

Najbliższa Ziemi gwiazda to Słońce - światło z jego powierzchni dociera do nas po 500 s pokonując około 150 mln km (300 tys. km/s * 500 s).

Inne gwiazdy - sąsiadki leżą znacznie dalej - odległość do najbliższej z nich to ponad 4 lata świetlne (1 rok = około 31 mln s; 1 rok świetlny = 31 mln s * 300 tys km/s = około 9460 mld km). Wokół Słońca, w kuli o promieniu około 16 lat świetlnych, znajduje się 30 gwiazd.

Przestrzeń między gwiazdami nie jest całkowicie pusta, bo wypełnia ją rzadki gaz i pył międzygwiazdowy (średnio kilkadziesiąt atomów/cm3).

Gwiezdne sąsiedztwo Słońca jest fragmentem jednego ze znacznie większych zbiorów materii we Wszechświecie. Gwiazdy i materia międzygwiazdowa skupiają się bowiem w galaktykach. Na podstawie wyglądu na zdjęciach wyróżniamy galaktyki:

• eliptyczne (o kształcie owalnym),
• spiralne (w których świecąca materia, rozciągająca się od jasnego jądra, układa się w kształty przypominające skręcone skrzydła wiatraka, tzw. ramiona),
• nieregularne (czyli wszystkie inne).

Galaktyka, w skład której wchodzi Słońce, i której nazwę piszemy dużą literą, jest galaktyką spiralną, liczącą około 200 mld gwiazd. Większość masy Galaktyki skupiona jest w jądrze, które stanowi centrum płaskiego dysku galaktycznego. Ten ostatni tworzą spiralnie skręcone ramiona, w których gromadzą się gwiazdy i gazowo-pyłowa materia międzygwiazdowa. Wokół jądra kuliście, rozciąga się materia wchodząca w skład halo galaktycznego. Jest jej o wiele mniej (tzn. jest znacznie rzadsza) niż w dysku galaktycznym.

Słońce znajduje się praktycznie w środku "grubości" dysku Galaktyki, na skraju jednego z ramion spiralnych, w odległości około 30 tys. lat świetlnych od Centrum (środka jądra) Galaktyki (i około 20 tys. lat świetlnych od jej skraju). Razem z całym Układem Słonecznym obiega Centrum Galaktyki raz na około 220 mln lat (jak Ziemia Słońce raz na rok).

Tak jak gwiazdy skupiają się w galaktyki, tak galaktyki tworzą gromady galaktyk. Przestrzeń  między nimi wypełnia niesłychanie rzadka materia międzygalaktyczna (pojedyncze atomy na kilometr sześcienny, w powietrzu mamy około 5*1019 atomów na cm3!).

Ziemia jest jedną z wielu planet, nie zajmuje wyróżnionego miejsca w Układzie Słonecznym; Słońce jest jedną z miliardów gwiazd na uboczu Galaktyki; Galaktyka nie znajduje się w centrum żadnej gromady galaktyk. Miejsce Ziemianina we Wszechświecie jest więc najzupełniej średnie.