Ziemia obraca się wokół własnej osi. Pytanie, ale której?

Co pewien czas pojawiają się w sieci teksty, rozważające problem niewirującej Ziemi. Zatrzymanie rotacji planety wiąże się z licznymi konsekwencjami, w tym tymi negatywnymi dla człowieka, klimatu, ale jest to raczej zjawisko, które się nie wydarzy. Ruch obrotowy planet to bowiem konsekwencja ruchu obrotowego dysku materii, z którego wykluwają się ciała niebieskie. Wszystkie planety w Układzie Słonecznym wirują, gdyż cały układ zachowuje moment pędu jakim dysponował na początku swojego istnienia i będzie nim dysponował w przyszłości.

Planety mają warstwy, które nie muszą obracać się zgodnie

Mówiąc o obrocie ciał niebieskich wokół własnej osi ograniczamy się do opisu obrotu tej części planety, którą widzimy, traktujemy jako jej powierzchnię. A wspomniana oś wyznacza bieguny geograficzne. A co dzieje się we wnętrzu planet? Czy również podlegają one obrotowi? Odpowiedź jest twierdząca, ale ten obrót nie koniecznie odbywa się wokół osi, utożsamianej ze znaną nam osią obrotu, która bywa często nachylona i w przypadku Ziemi przyczynia się to między innymi do występowania pór roku.

Budowa wewnętrzna Ziemi. Zwykle jest ona przedstawiana jako wydrążone kule (z wyjątkiem najmniejszej) o coraz mniejszym promieniu, jednak nie wskazuje się tutaj osi obrotu każdej z nich. Jądro wewnętrzne (biały kolor) ma średnicę 2440 km. Płaszcz (kolor żółty i pomarańczowy) ma grubość około 2900 km. Pole magnetyczne Ziemi generowane jest w procesie dynama w jądrze zewnętrznym (kolor szary). (fot: Surachit / CC BY-SA 3.0)

Od niedawna naukowcy są w stanie mierzyć bardzo dokładnie długość ziemskiej doby. Okazuje się, że choć w długiej perspektywie doba się wydłuża ze względu na powolne oddalanie się Księżyca, to w skali dni czy tygodni istnieją wahania wydłużające ją i skracające względem poprzednich dób. Odpowiedzialny za te zmiany, tak drobne, że dla mieszkańców Ziemi kompletnie niezauważalne, jest fakt, że Ziemia nie jest jednolita. Zarówno skorupa jak i płaszcz oraz jądro mogą obracać się każde wokół własnej osi. Te osie nie muszą być wszystkie tak samo zorientowane.

Zmiana orientacji osi obrotu Ziemi

Oś obrotu Ziemi wyznaczająca położenie biegunów geograficznych zmienia swoją orientację na przestrzeni 26 tysięcy lat. Ten ruch związany jest z precesją osi obrotu Ziemi, która jest wynikiem oddziaływania grawitacyjnego Słońca i Księżyca oraz równikowego spłaszczenia Ziemi. Nie wpływa on na położenie biegunów geograficznych, to jak przebiegająca przez nie oś jest zorientowana względem gwiazd na niebie. Na precesję nałożone są także zmiany skali 18,6 roku, zwane nutacją, czyli drobnymi odchyleniami od ruchu precesyjnego, również związane oddziaływaniem grawitacyjnym i niejednolitym rozkładem masy Ziemi.

Dobowy ruch obrotowy Ziemi przekłada się na ruch gwiazd wokół punktu, który wyznacza przecięcie aktualnej osi obrotu powierzchni Ziemi i sfery niebieskiej.

Zmiana położenia osi obrotu Ziemi, która zachodzi w skali lat ma także składnik, który wiąże się z nieznaczną zmianą położenia biegunów geograficznych. Jest to konsekwencja zjawisk, które zachodzą we wnętrzu Ziemi, a maja związek z faktem, że oś obrotu jądra wewnętrznego i oś obrotu płaszcza Ziemi nie są idealnie zgrane. Odchylenie osi tych obu części naszej planety wynosi jedynie 0,17 stopnia i jest niezmienne w czasie. Jednak niezsynchronizowanie ich ruchu wystarczy by wywołać mierzalny efekt chybotania osi obrotu całej Ziemi (dokładnie z okresem około 8,5 roku) jak i drobne wahania długości dnia. Za powstawanie pola magnetycznego odpowiada z kolei ruch materii w jądrze zewnętrznym.

Położenie biegunów geograficznych względem kontynentów to jeszcze inna historia

Dlatego jeśli kiedyś będziecie się zastanawiać nad obrotem Ziemi. Zewnętrzne jej części obracają się wokół nieco innej osi niż środek (jądro wewnętrzne), jednak dla naszej egzystencji istotna jest przede wszystkim oś obrotu zewnętrznych warstw i to tę oś najlepiej traktować jako oś obrotu Ziemi.

Czy jednak bieguny geograficzne zawsze będą z niewielkim błędem położone na terenie tych samych kontynentów lub mas wodnych? Odpowiedź jest przecząca, gdyż na Ziemi występuje takie zjawisko jak dryf kontynentów. Ich wzajemne położenie i wygląd zmieniają się na przestrzeni milionów lat. I nawet jeśli biegun geograficzny byłby zawsze w tym samym miejscu względem środka Ziemi, a nawet gwiazd na niebie, to znajdzie się on kiedyś na innym kontynencie, który jeszcze nie istnieje. Ale to już nie będzie problemem naszej cywilizacji.

Źródło: Nature Communications, inf. własna