2.3. Ruch obiegowy Ziemi

Ziemia obiega Słońce w odległości ok. 150 mln km, ale dystans ten waha się od ok. 147 mln km do ponad 152 mln km, ponieważ orbita naszej planety ma kształt elipsy. Lato na półkuli północnej wypada akurat wtedy, gdy Ziemia w swej wędrówce jest bardziej oddalona od Słońca, a zima, gdy znajduje się bliżej. Jeśli chcesz wiedzieć, jak to jest możliwe, zapoznaj się z lekcją o ruchu obiegowym Ziemi.

Już wiesz: 

  • jakie rozmiary i kształt ma Ziemia;
  • że Ziemia obraca się wokół własnej osi, która jest nachylona pod kątem ok. 66°33' w stosunku do płaszczyzny jej orbity;
  • jakie są konsekwencje ruchu obrotowego Ziemi.

Nauczysz się: 

  • wykazywać związek między nachyleniem osi ziemskiej a oświetleniem naszej planety;
  • interpretować zależność pomiędzy zróżnicowaniem oświetlenia poszczególnych części Ziemi a porami roku;
  • określać pory roku na podstawie obserwacji pozornej wędrówki Słońca po sferze niebieskiej;
  • określać szerokość geograficzną na podstawie obserwacji pozornej wędrówki Słońca po sferze niebieskiej.

Przygotuj przed lekcją: 

  • globus,
  • tellurium.

1. Jakie są konsekwencje stałego nachylenia osi Ziemi do płaszczyzny ekliptyki?

Ziemia obiega Słońce po nieznacznie wydłużonej orbicie eliptycznej zbliżonej kształtem do okręgu. Ruch ten nazywamy ruchem obiegowym Ziemi. Ruch Ziemi wokół Słońca odbywa się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (patrząc na układ Ziemia-Słońce od strony półkuli północnej).
Czas obiegu minimalnie się zmienia w kolejnych latach, więc możemy podawać go tylko w przybliżeniu. Zwykle przyjmuje się, że rok słoneczny trwa 365 dni 5 godzin i 49 minut. Oznacza to, że po tym czasie Ziemia wraca do pozycji wyjściowej względem Słońca. Nieco dłuższy jest rok gwiazdowy, który trwa ok. 365 dni 6 godzin 9 minut i nieco ponad 9 sekund. Po upłynięciu tego czasu Ziemia wraca do miejsca, z którego Słońce jest widoczne w tym samym położeniu względem odległych gwiazd. Zwróć uwagę, że żadna z tych miar czasu nie składa się z równej liczby dni, co ma konsekwencje przy określaniu, kiedy właściwie upływa rok, i przy konstrukcji kalendarza.
Wiesz już, że nachylenie osi ziemskiej w stosunku do płaszczyzny obiegu Ziemi wokół Słońca wynosi ok. 66°33'. Astronomowie mówią o nachyleniu osi do płaszczyzny ekliptyki, czyli płaszczyzny zawierającej orbitę, po której Ziemia obiega Słońce. Niezwykle ważne znaczenie dla Ziemi ma fakt, że nachylenie jej osi w stosunku do płaszczyzny orbity nie ulega zmianie w ciągu całego obiegu wokół Słońca, czyli w ciągu roku. Oznacza to, że przez część roku oś swoim północnym końcem skierowana jest w stronę Słońca, przez co półkula północna jest silniej przez nie oświetlana. Przez drugą część roku oś ziemska skierowana jest ku Słońcu końcem południowym, co powoduje, że bardziej oświetlona jest półkula południowa. Natomiast dwukrotnie w ciągu roku oś ziemska ustawia się w stosunku do Słońca tak, że obie półkule oświetlane są identycznie.

Polecenie 2.3.1.

Za pomocą globusa i dowolnego obiektu, któremu chwilowo nadasz rolę Słońca, odtwórz roczną wędrówkę Ziemi.

Polecenie 2.3.2.

Wpraw tellurium w ruch i prześledź roczny obieg Ziemi i Księżyca wokół Słońca. Zauważ, że ruch Ziemi dookoła własnej osi, ruch Księżyca wokół Ziemi i ruch Ziemi (wraz z Księżycem) wokół Słońca zachodzą równocześnie.

Ciekawostka

Ruch wokół Słońca nasza planeta wykonuje z nieznacznie zmieniającą się prędkością liniową wynoszącą 29,3-30,3 km/s (średnio przyjmuje się 29,783 km/s). Odpowiada to niewyobrażalnie wielkiej prędkości 107 210 km/h.

Ważne

Nachylenie osi ziemskiej do powierzchni ekliptyki jest jednakowe w ciągu roku. Fakt stałego nachylenia osi ziemskiej ma zasadnicze znaczenie dla zmienności pór roku na Ziemi, klimatu, długości dnia i nocy oraz zmian miejsc wschodu, górowania i zachodu Słońca.

Ciekawostka

Na przestrzeni setek i tysięcy lat nachylenie osi ziemskiej podlega zjawisku tzw. precesji, czyli nieznacznej zmianie kierunku wskazywanego przez oś.

2. Czy astronomiczne pory roku wynikają ze zmian oświetlenia Ziemi?

Roczny ruch Ziemi wokół Słońca powoduje, że w sposób powtarzalny zmienia się oświetlenie różnych części Ziemi. W rezultacie występują cykliczne zmiany pór roku. Z astronomicznego punktu widzenia momentami granicznymi pór roku są tzw. równonoce i przesilenia.
Równonoc wiosenna występuje w chwili, gdy promienie słoneczne padają pionowo na równik, a pod coraz mniejszym kątem na resztę kuli ziemskiej aż do obu biegunów. Na całej Ziemi dzień i noc trwają wtedy po 12 godzin.
Przesilenie letnie (nazywane tak na półkuli północnej) to moment, gdy promienie słoneczne padają pionowo na zwrotnik Raka. Lepiej oświetlona jest wtedy półkula północna, na której dzień jest dłuższy od nocy. Za kołem podbiegunowym północnym panuje wówczas dzień polarny, a za południowym noc polarna.
Równonoc jesienna ma miejsce wtedy, gdy Słońce ponownie góruje w zenicie nad równikiem, a więc promienie słoneczne padają pionowo na równik, a pod coraz mniejszym kątem na resztę kuli ziemskiej aż do obu biegunów. Na całej Ziemi dzień i noc ponownie trwają po 12 godzin.
Przesilenie zimowe (nazywane tak na półkuli północnej) następuje w chwili, gdy promienie słoneczne padają pionowo na zwrotnik Koziorożca. W tym czasie lepiej oświetlona jest półkula południowa, na której dzień jest dłuższy od nocy. Za kołem podbiegunowym południowym panuje dzień polarny, a za północnym noc polarna.
Daty zmian astronomicznych pór roku są dla całej Ziemi takie same, ale ich nazwy zależą od półkuli. Gdy na półkuli północnej trwa lato, na półkuli południowej jest zima. Na północnej półkuli Ziemi pory roku zaczynają się w następujących terminach:
  • wiosna – 21 marca w momencie równonocy wiosennej,
  • lato – 22 czerwca w momencie przesilenia letniego,
  • jesień – 23 września w momencie równonocy jesiennej,
  • zima – 22 grudnia wraz z momentem przesilenia zimowego.

Ciekawostka

Pierwsi angielscy osadnicy w Australii cierpieli głód, ponieważ siali i sadzili rośliny uprawne w tym samym czasie, co w Europie, czyli w okresie od marca do maja. Rośliny nie chciały rosnąć i prawie nie było plonów. Osadnicy nie wzięli pod uwagę faktu, że w tym czasie na półkuli południowej trwa jesień i zbliża się zima.

Ważne

Moment zmiany astronomicznych pór roku jest niezależny od obowiązującego kalendarza i urzędowo zatwierdzonego czasu. Jest on wyznaczany za pomocą specjalnych obliczeń i obserwacji astronomicznych i w rzeczywistości co roku wypada o innej porze dnia, a nawet innego dnia – czasami dzień wcześniej albo dzień później niż powszechnie przyjęte daty. Wiosna zaczyna się 20-21 marca, lato – 22-23 czerwca, jesień – 22-23 września, natomiast zima – 21-22 grudnia.

3. Dlaczego w różnych porach roku i na różnych szerokościach geograficznych Słońce obserwujemy w innych częściach nieba?

Pozorna wędrówka Słońca po sferze niebieskiej jest konsekwencją ruchu obrotowego Ziemi wokół własnej osi. Nachylenie tej osi i ruch obiegowy Ziemi wokół Słońca przyczyniają się do zmiany miejsc wschodu i zachodu Słońca oraz jego wysokości nad horyzontem w południe. W rezultacie tylko dwa razy w roku (w dniach równonocy) Słońce wschodzi dokładnie na wschodzie i zachodzi dokładnie na zachodzie. W pozostałe dni wschody i zachody Słońca występują codziennie w innych miejscach i są coraz bardziej przesunięte – na północ (na północnej półkuli latem, na południowej półkuli zimą) albo na południe (na północnej półkuli zimą, na południowej półkuli latem).
Dalszą konsekwencją zmiany miejsc wschodu i zachodu Słońca jest zmiana długości dnia i nocy. Im większe szerokości geograficzne, tym większe przesunięcia miejsc wschodu i zachodu oraz większe zróżnicowanie długości dnia i nocy. Na równiku te różnice są minimalne. Dzień i noc trwają niemal tyle samo (po ok. 12 godzin), miejsca wschodu i zachodu Słońca zawsze są bliskie kierunkom E i W, a górowanie Słońca wypada albo w zenicie (dwukrotnie), albo nieznacznie bardziej na północ lub na południe.
Na obu zwrotnikach Słońce w zenicie góruje tylko raz, a za pół roku w południe wznosi się już tylko na ok. 43°. Na kołach podbiegunowych najkrótszy dzień trwa zaledwie kilka minut, Słońce pojawia się wówczas na linii horyzontu i za chwilę znika. Najdłuższy dzień natomiast panuje niemal całą dobę: Słońce wschodzi tuż po północy, po ok. 12 godzinach góruje na wysokości 23°27' i zachodzi tuż przed północą w tym samym niemal miejscu, gdzie wzeszło.
Tabela 1. Pozorna wędrówka Słońca po sferze niebieskiej w dniu równonocy wiosennej i jesiennej na różnych szerokościach geograficznych
Około 21 marca
Około 23 września
Kierunek wschodu SłońcaKierunek zachodu SłońcaKąt, pod jakim Słońce góruje nad horyzontem
Biegun północnycały dzień na linii horyzontucały dzień na linii horyzontu
Koło podbiegunowe północneEW23°27'
Zwrotnik RakaEW66°33'
RównikEW90°
Zwrotnik KoziorożcaEW66°33'
Koło podbiegunowe południoweEW23°27'
Biegun południowycały dzień na linii horyzontucały dzień na linii horyzontu
Tabela 2. Pozorna wędrówka Słońca po sferze niebieskiej w dniu przesilenia letniego (nazywanego tak na półkuli północnej) na różnych szerokościach geograficznych
Około 22 czerwcaKierunek wschodu Słońca (w przybliżeniu)Kierunek zachodu Słońca (w przybliżeniu)Kąt, pod jakim Słońce góruje nad horyzontem
Biegun północnySłońce widoczne przez całą dobę na 23°27'Słońce widoczne przez całą dobę na 23°27'23°27'
Koło podbiegunowe północneNN46°54'
Zwrotnik RakaNENW90°
RównikENEWNW66°33'
Zwrotnik KoziorożcaNENW43°06'
Koło podbiegunowe południoweNN
Biegun południowynoc polarnanoc polarnanoc polarna
Tabela 3. Pozorna wędrówka Słońca po sferze niebieskiej w dniu przesilenia zimowego na różnych szerokościach geograficznych
Około 22 grudniaKierunek wschodu Słońca (w przybliżeniu)Kierunek zachodu Słońca (w przybliżeniu)Kąt, pod jakim Słońce góruje nad horyzontem
Biegun północnynoc polarnanoc polarnanoc polarna
Koło podbiegunowe północneSS
Zwrotnik RakaSESW43°06'
RównikESEWSW66°33'
Zwrotnik KoziorożcaSESW90°
Koło podbiegunowe południoweSS46°54'
Biegun południowySłońce widoczne przez całą dobę na 23°27'Słońce widoczne przez całą dobę na 23°27'23°27'

Ważne

W momentach równonocy łatwo obliczyć wysokość górowania Słońca na każdej szerokości geograficznej. Wystarczy od 90° odjąć wartość szerokości geograficznej. Uzyskany wynik to poszukiwana wysokość Słońca w południe nad horyzontem.

Polecenie 2.3.3.

Oblicz, pod jakim kątem w stosunku do linii horyzontu obserwujemy Słońce w momencie górowania na zwrotniku Raka w dniu równonocy wiosennej, a pod jakim obserwują Słońce w tej samej chwili ludzie na zwrotniku Koziorożca.

Ważne

Już wiesz, jak obliczyć wysokość górowania Słońca na każdej szerokości geograficznej w momentach równonocy. Dla szerokości geograficznych, w których znajduje się Polska, wysokość górowania Słońca w dniu przesilenia letniego możemy obliczyć w następujący sposób: do wyniku uzyskanego dla równonocy należy dodać 23°27'. Natomiast, żeby obliczyć wysokość górowania Słońca w dniu przesilenia zimowego, należy taką samą wartość odjąć.

Polecenie 2.3.4.

Na podstawie rysunku przedstawiającego pozorne drogi Słońca na sferze niebieskiej w Warszawie (C) przerysuj i wypełnij zamieszczoną poniżej tabelę.
Tabela 4. Tabela do polecenia
Warszawa (52°15'N)Kierunek wschodu Słońca (w przybliżeniu)Kierunek zachodu Słońca (w przybliżeniu)Kąt, pod jakim Słońce góruje w południe nad horyzontem
Równonoc wiosenna   
Przesilenie letnie   
Równonoc jesienna   
Przesilenie zimowe   

Ćwiczenie 2.3.1.

Dokonaj obliczeń i ustal, z jakiej szerokości geograficznej obserwator widział górujące Słońce po południowej stronie nieba w dniu równonocy wiosennej (21 marca). Słońce wtedy górowało na wysokości 40°.
Odpowiedź
50°N
Żeby obliczyć szerokość geograficzną miejsca obserwacji górowania Słońca podczas dnia równonocy, należy od 90° odjąć kąt, pod jakim widziane jest wówczas Słońce. W naszym przypadku:
90° – 40° = 50°.
Jeśli obserwowane Słońce podczas momentu górowania jest po południowej stronie nieba, oznacza to, że obserwator znajduje się na północ od równika, czyli na szerokości geograficznej północnej.

Ćwiczenie 2.3.2.

Dokonaj obliczeń i ustal, z jakiej szerokości geograficznej obserwator widział górujące Słońce po południowej stronie nieba w dniu przesilenia letniego (22 czerwca). Słońce górowało wówczas na wysokości 60°27'.
Odpowiedź
53°N
Słońce widziane po południowej stronie nieba oznacza, że obserwator znajduje się na północ od zwrotnika Raka (23°27'N), gdzie Słońce góruje w tym dniu na wysokości 90°.
Żeby obliczyć szerokość geograficzną miejsca obserwacji górowania Słońca podczas dnia przesilenia letniego, należy od 90° odjąć kąt, pod jakim widziane jest wówczas Słońce, pomniejszony dodatkowo o szerokość geograficzną zwrotnika Raka. W naszym przypadku:
90° – (60°27' – 23°27') = 90° – 37° = 53°N.
Tabela 5. *Wzory na obliczanie wysokości górowania Słońca na różnych szerokościach geograficznych pierwszego dnia każdej z astronomicznych pór roku poza strefą międzyzwrotnikową (od 23°27' do 90° N i S)
Data obserwacjiNa półkuli północnejNa półkuli południowej
21 marca – pierwszy dzień wiosny (półkula północna),
pierwszy dzień jesieni (półkula południowa)
h s = 90° – ϕ h s = 90° – ϕ
22 czerwca – pierwszy dzień lata (półkula północna),
pierwszy dzień zimy (półkula południowa)
h s = 90° – ϕ + 23°27' h s = 90° – ϕ – 23°27'
23 września – pierwszy dzień jesieni (półkula północna),
pierwszy dzień wiosny (półkula południowa)
h s = 90° – ϕ h s = 90° – ϕ
22 grudnia – pierwszy dzień zimy (półkula północna),
pierwszy dzień lata (półkula południowa)
h s = 90° – ϕ – 23°27' h s = 90° – ϕ + 23°27'
h s – wysokość górowania Słońca
ϕ – szerokość geograficzna miejsca obserwacji
Tabela 6. *Wzory na obliczanie wysokości górowania Słońca na różnych szerokościach geograficznych pierwszego dnia każdej z astronomicznych pór roku w strefie międzyzwrotnikowej (od 23°26'S do 23°26'N)
Dzień obserwacjiNa półkuli północnejNa półkuli południowej
21 marca – pierwszy dzień wiosny (półkula północna),
pierwszy dzień jesieni (półkula południowa)
h s = 90° – ϕ h s = 90° – ϕ
22 czerwca – pierwszy dzień lata (półkula północna),
pierwszy dzień zimy (półkula południowa)
h s = 90° + ϕ – 23°27' h s = 90° – ϕ – 23°27'
23 września – pierwszy dzień jesieni (półkula północna),
pierwszy dzień wiosny (półkula południowa)
h s = 90° – ϕ h s = 90° – ϕ
22 grudnia – pierwszy dzień zimy (półkula północna),
pierwszy dzień lata (półkula południowa)
h s = 90° – ϕ – 23°27' h s = 90° + ϕ – 23°27'
h s – wysokość górowania Słońca
ϕ – szerokość geograficzna miejsca obserwacji

Ciekawostka

Noc na Ziemi trwa zawsze krócej, niż by to wynikało z obliczeń astronomicznych. Nawet w dniu równonocy dzień jest dłuższy z dwóch powodów. Po pierwsze, widziane przez nas Słońce ma swoje rozmiary kątowe (ok. 32'), a nie jest punktem. W związku z tym: w chwili, gdy środek tarczy słonecznej jest na linii horyzontu i formalnie następuje wschód Słońca, to już od pewnego czasu trwa dzień, bo widać mniejszą część tarczy. Po drugie, załamanie i rozproszenie światła w atmosferze powoduje, że dociera ono do obserwatora, zanim Słońce wynurzy się zza horyzontu albo już po tym, gdy całe skryje się poniżej linii horyzontu.

Podsumowanie

  • Nachylenie osi ziemskiej ma podstawowe znaczenie dla długości dnia i nocy, wysokości górowania Słońca oraz zmienności pór roku.
  • W ciągu roku na Ziemi dwukrotnie występuje zjawisko równonocy, raz przesilenie letnie i raz przesilenie zimowe.
  • Miejsca wschodu i zachodu Słońca oraz wysokość górowania Słońca zmieniają się w ciągu roku w zależności od szerokości geograficznej.

Praca domowa

Polecenie 2.3.5.

Odczytaj z mapy współrzędne geograficzne miejscowości, w której mieszkasz. Oblicz, na jakiej wysokości nad horyzontem góruje na tej szerokości geograficznej Słońce w dniach równonocy oraz w dniu przesilenia letniego i przesilenia zimowego.

Słowniczek

dzień polarny

zjawisko polegające na przebywaniu tarczy Słońca powyżej linii horyzontu przez czas dłuższy niż 24 godziny (na biegunach dzień polarny trwa 6 miesięcy)

noc polarna

zjawisko polegające na przebywaniu tarczy Słońca poniżej linii horyzontu przez czas dłuższy niż 24 godziny (na biegunach noc polarna trwa 6 miesięcy)

płaszczyzna ekliptyki

płaszczyzna zawierająca orbitę, po której Ziemia obiega Słońce

precesja

zjawisko zmiany kierunku osi obrotu obracającego się ciała, w naszym przypadku Ziemi; oś obrotu sama obraca się wokół pewnego kierunku w przestrzeni, zakreślając powierzchnię boczną stożka

przesilenie letnie

na półkuli północnej to moment, gdy biegun północny znajduje się najbliżej Słońca, a biegun południowy najdalej; Słońce w tym dniu góruje w zenicie nad zwrotnikiem Raka; w tym samym momencie na półkuli południowej jest przesilenie zimowe

przesilenie zimowe

na półkuli północnej to moment, gdy biegun północny jest najbardziej oddalony od Słońca, a biegun południowy znajduje się najbliżej; Słońce w tym dniu góruje nad zwrotnikiem Koziorożca; w tym samym momencie na półkuli południowej trwa przesilenie letnie

rok gwiazdowy

to czas pomiędzy dwoma kolejnymi przejściami Słońca na tle tych samych gwiazd; trwa 365 dni 6 godzin 9 minut i 9,54 sekundy

rok słoneczny

to czas pomiędzy dwoma kolejnymi przejściami Słońca przez punkt równonocy wiosennej; trwa 365 dni 5 godzin 49 minut

równonoc jesienna

na półkuli północnej to moment, gdy Ziemia osiąga punkt na swojej orbicie, w którym promienie słoneczne padają prostopadle na równik i są równocześnie styczne do jej powierzchni na biegunach; począwszy od tego momentu Słońce zaczyna bardziej oświetlać południową półkulę Ziemi

równonoc wiosenna

na półkuli północnej to moment, gdy Ziemia osiąga punkt na swojej orbicie, w którym promienie słoneczne padają prostopadle na równik i są równocześnie styczne do jej powierzchni na biegunach; począwszy od tego momentu Słońce zaczyna bardziej oświetlać północną półkulę Ziemi

tellurium

przyrząd odtwarzający wzajemny ruch Ziemi i Księżyca względem siebie oraz względem Słońca; głównym celem stosowania tellurium jest ukazanie oświetlenia Ziemi w różnych porach dnia i roku oraz zaćmień Słońca i Księżyca

Zadania

Zadanie 2.3.1.

Zadanie 2.3.2.

Zadanie 2.3.3.

Zadanie 2.3.4.

Zadanie 2.3.5.

Zadanie 2.3.6.

Zadanie 2.3.7.