Przez lata w szkole powtarzano, że Ziemia obraca się w 24 godziny i na tym zwykle kończyło się wyjaśnienie. Dziś wiadomo, że takie podejście jest zbyt uproszczone i potrafi raczej zaciemnić obraz niż go rozjaśnić. Nowe podejście oddziela to, co dzieje się z Ziemią w przestrzeni, od tego, jak odbierany jest ruch Słońca na niebie. Dzięki temu łatwiej zrozumieć, dlaczego astronomowie mówią o dwóch różnych dobach, dlaczego jedna z nich trwa 23 godziny 56 minut, a na zegarku wciąż jest 24. Ta zmiana patrzenia z „szkolnego skrótu” na dokładniejszy obraz pomaga uczniom zobaczyć, jak naprawdę działa ruch obrotowy Ziemi, zamiast tylko zapamiętać kolejną liczbę.

Skąd wzięło się „24 godziny”?

Codzienność podpowiada, że obrót Ziemi wokół własnej osi trwa 24 godziny, bo tyle trwa doba na zegarku. Widać to w najprostszy sposób: od jednego południa (Słońce najwyżej na niebie) do następnego południa mija około 24 godzin. To jest właśnie doba słoneczna – czas między dwoma kolejnymi górowaniami Słońca nad danym miejscem.

Problem w tym, że doba słoneczna nie mówi wprost, ile dokładnie trwa fizyczny obrót Ziemi wokół osi, tylko jak ten obrót wygląda z punktu widzenia obserwatora, który patrzy na Słońce. A Słońce też się „przesuwa” na tle gwiazd, bo Ziemia krąży wokół niego. Dlatego astronomowie wprowadzają dokładniejszy pomiar: dobę gwiazdową.

Doba gwiazdowa a słoneczna – dwa różne obroty

Żeby zrozumieć, ile naprawdę trwa obrót Ziemi, trzeba rozdzielić dwa pojęcia: obrót względem gwiazd i obrót względem Słońca. Na pierwszy rzut oka brzmi to podobnie, ale liczby pokazują wyraźną różnicę.

Doba gwiazdowa – co to takiego?

Doba gwiazdowa (inaczej: doba gwiazdowa albo sideryczna) to czas, w którym Ziemia obróci się o dokładnie 360° względem dalekich gwiazd. Czyli: jeśli jakaś konkretna gwiazda jest dokładnie nad głową (w zenicie), doba gwiazdowa to czas od tego momentu do chwili, gdy znów znajdzie się w tym samym punkcie na niebie.

Ta doba trwa około 23 godziny 56 minut i 4 sekundy. To jest faktyczny czas jednego pełnego obrotu Ziemi wokół własnej osi w przestrzeni kosmicznej. Gwiazdy są tak daleko, że ich własny ruch jest na tę skalę praktycznie niezauważalny, więc można ich użyć jako „tła”, względem którego łatwo mierzyć obrót.

Jeden fizyczny obrót Ziemi wokół własnej osi trwa około 23 h 56 min 4 s – to właśnie doba gwiazdowa.

Gdyby wyobrazić sobie Ziemię kręcącą się sama w pustej przestrzeni, bez krążenia wokół Słońca, to właśnie doba gwiazdowa opisywałaby jej rytm.

Dlaczego doba słoneczna jest dłuższa?

Skąd więc na zegarku bierze się 24 godziny? Odpowiedź leży w tym, że Ziemia nie tylko się obraca, ale też krąży wokół Słońca. W ciągu jednej doby Ziemia przesuwa się po orbicie o około 1°.

Efekt jest taki: po jednym pełnym obrocie względem gwiazd (czyli po 23 h 56 min) Słońce nie jest jeszcze dokładnie w tym samym miejscu na niebie. Ziemia musi obrócić się jeszcze o około 1°, żeby Słońce znów znalazło się w tym samym położeniu (np. najwyżej nad horyzontem).

Ten „dodatkowy kawałek” obrotu zajmuje nieco mniej niż 4 minuty. Dlatego:

• doba gwiazdowa ≈ 23 h 56 min 4 s,
• doba słoneczna (nasza „normalna” doba) ≈ 24 h.

W praktyce człowieka żyjącego na powierzchni interesuje przede wszystkim doba słoneczna, bo wiąże się z cyklem dnia i nocy, ale jeśli pytanie brzmi: „ile trwa obrót Ziemi wokół własnej osi?”, poprawna, ścisła odpowiedź brzmi: około 23 godziny 56 minut.

Jak szybko obraca się Ziemia w różnych miejscach?

Czas obrotu Ziemi jest taki sam dla całej planety, ale prędkość liniowa (czyli to, z jaką prędkością punkt na powierzchni „mknie” po okręgu) zależy od szerokości geograficznej.

Na równiku Ziemia ma obwód około 40 075 km. Jeśli ten dystans zostanie podzielony przez dobę gwiazdową (~23,934 h), wyjdzie prędkość rzędu 1670 km/h. Czyli punkt na równiku porusza się wraz z obrotem w tempie szybszym niż większość samolotów pasażerskich.

Wraz z oddalaniem się od równika ku biegunom, „okrąg”, po którym porusza się dany punkt, staje się coraz mniejszy. Na biegunie północnym i południowym ten „okrąg” kurczy się do punktu, więc prędkość liniowa spada tam do zera. Nadal trwa 23 h 56 min na jeden obrót, ale punkt w tym czasie właściwie tylko obraca się w miejscu.

Dla ucznia ciekawym eksperymentem myślowym jest porównanie: mieszkaniec okolic równika „pędzi” w przestrzeni z prędkością ponad 1600 km/h, a osoba stojąca na biegunie – obraca się jak na wolno kręcącej się karuzeli, nie przemieszczając się po okręgu.

Dlaczego długość doby się zmienia?

Na poziomie szkolnym często mówi się o „24 godzinach” jak o czymś absolutnie stałym. Tymczasem długość doby zmienia się, i to na kilka sposobów. Zmiany te są niewielkie, ale da się je zmierzyć bardzo dokładnymi zegarami atomowymi.

Księżyc i pływy – kosmiczne hamulce

Najważniejszym czynnikiem jest oddziaływanie grawitacyjne Księżyca. To ono powoduje pływy mórz i oceanów. Woda, przesuwając się pod wpływem pływów, wywołuje tarcie, które działa jak delikatny hamulec obrotu Ziemi.

Efekt jest powolny, ale kumuluje się przez miliony lat. Szacuje się, że w czasach dinozaurów doba była wyraźnie krótsza niż dziś. Obecnie doba w ciągu stulecia wydłuża się średnio o kilka milisekund. Mało, ale dla astronomów i fizyków – bardzo istotne.

Inne czynniki wpływające na długość doby

Na długość doby wpływają też inne zjawiska:

• Rozkład mas na Ziemi – topnienie lodowców, przesuwanie się mas wód, ruchy płyt tektonicznych zmieniają rozkład masy planety. A gdy zmienia się rozkład masy, zmienia się też tempo obrotu (podobnie jak łyżwiarka, która przyciąga ręce do siebie i zaczyna szybciej wirować).
• Trzęsienia ziemi – bardzo silne mogą minimalnie przyspieszyć lub spowolnić obrót, choć mowa o zmianach rzędu ułamków milisekundy.
• Wymiana momentu pędu między atmosferą, oceanami i skorupą – wiatr, prądy morskie, ruch powietrza i wody też niosą pęd, który może się „wymieniać” z obrotem całej planety.

Te drobne zmiany sprawiają, że rzeczywista długość doby nie jest sztywna jak z podręcznikowego schematu, tylko lekko „pływa” wokół wartości 24 godzin. Z tego powodu od czasu do czasu wprowadza się tzw. sekundy przestępne, aby zsynchronizować czas atomowy z czasem związanym z obrotem Ziemi.

Jak sprawdzono, że Ziemia się obraca?

Wiedza o obrocie Ziemi nie wzięła się z niczyjej wyobraźni, tylko z doświadczeń i obserwacji. Z punktu widzenia ucznia szczególnie symboliczny jest jeden eksperyment pokazujący obrót Ziemi wprost, bez patrzenia na ruch Słońca.

Wahadło Foucaulta – obrót Ziemi „na żywo”

Wahadło Foucaulta to długie wahadło z ciężkim kulistym obciążnikiem, które może się poruszać niemal bez tarcia, w dowolnej płaszczyźnie. Jeśli takie wahadło zostanie wprawione w ruch, jego płaszczyzna drgań pozostaje praktycznie stała względem gwiazd.

Dla obserwatora stojącego na Ziemi wygląda to tak, jakby płaszczyzna drgań powoli się obracała. W rzeczywistości obraca się Ziemia pod wahadłem. Szybkość tego pozornego obrotu zależy od szerokości geograficznej – na biegunie pełny obrót płaszczyzny drgań trwa około 24 godziny, a w innych miejscach odpowiednio dłużej.

To doświadczenie jest jednym z najprostszych, bezpośrednich dowodów, że Ziemia rzeczywiście się obraca, a nie że „kręci się niebo nad nami”. W wielu muzeach nauki czy planetariach można obejrzeć działające wahadło Foucaulta i zobaczyć ten efekt na własne oczy.

Wahadło Foucaulta pokazuje obrót Ziemi bez odwoływania się do ruchu Słońca – to jak „podpis” planety widoczny w ruchu wahadła.

Co z tego wynika dla ucznia?

Na poziomie szkolnym najczęściej wystarcza informacja, że Ziemia wykonuje pełny obrót wokół własnej osi w czasie zbliżonym do 24 godzin. Jednak przy dokładniejszym spojrzeniu warto pamiętać o trzech rzeczach:

1. Jeden fizyczny obrót Ziemi względem gwiazd trwa około 23 h 56 min 4 s – to doba gwiazdowa.
2. 24-godzinna doba to doba słoneczna – związana z powrotem Słońca w to samo położenie na niebie, dłuższa przez ruch Ziemi wokół Słońca.
3. Długość doby nie jest absolutnie stała – bardzo powoli się zmienia, głównie pod wpływem Księżyca i pływów.

Zrozumienie tych różnic pomaga lepiej wyłapać sens wielu innych zagadnień z geografii i astronomii: od podziału na strefy czasowe, przez ruch pozorny gwiazd na niebie, po to, jak działają satelity i jak precyzyjnie mierzy się czas. Dzięki temu obrót Ziemi przestaje być suchą liczbą z tabelki, a staje się realnym procesem, który wpływa na każdy dzień – dosłownie.