Ile trwa obrót Ziemi? Dowiedz się teraz!

Uczniowie często słyszą, że Ziemia obraca się w 24 godziny, ale potem nagle pojawiają się pojęcia takie jak „dzień gwiazdowy” i „23 godziny 56 minut” i robi się zamieszanie. Rozwiązaniem jest jasne rozdzielenie tego, co mierzy zegarek, od tego, co naprawdę dzieje się z ruchem Ziemi w przestrzeni. Ten tekst krok po kroku wyjaśnia, ile naprawdę trwa obrót Ziemi wokół własnej osi, skąd biorą się różne liczby i dlaczego w podręcznikach pojawiają się dwa „rodzaje” dni.

Podstawowa odpowiedź: ile trwa obrót Ziemi?

Na pytanie „ile trwa obrót Ziemi wokół własnej osi” istnieją dwie poprawne odpowiedzi, zależnie od tego, jak definiuje się „dzień”. W geografii i astronomii używane są dwa pojęcia:

dzień słoneczny – czas od jednego górowania Słońca (południa) do następnego, czyli to, co w praktyce mierzą zegarki,
dzień gwiazdowy – czas jednego pełnego obrotu Ziemi względem odległych gwiazd.

Dzień słoneczny trwa średnio 24 godziny. Tyle mniej więcej mija między jednym południem a kolejnym.

Dzień gwiazdowy jest krótszy i trwa około 23 godziny 56 minut 4 sekundy. To jest rzeczywisty czas fizycznego obrotu Ziemi o 360° wokół własnej osi względem gwiazd.

Pełny obrót Ziemi wokół własnej osi względem gwiazd trwa około 23 h 56 min 4 s, ale w życiu codziennym używany jest wygodny, uśredniony dzień słoneczny – równo 24 h.

W większości szkolnych odpowiedzi wystarczy podać „24 godziny”, ale warto rozumieć, że jest to uproszczenie dopasowane do ruchu Ziemi wokół Słońca.

Dlaczego dzień gwiazdowy jest krótszy od słonecznego?

Różnica tych czterech minut na dobę nie jest przypadkowa. Ziemia wykonuje jednocześnie dwa ruchy:

obraca się wokół własnej osi,
krąży wokół Słońca po orbicie.

W ciągu jednej doby Ziemia przesuwa się po orbicie o około 1°. Oznacza to, że gdy wykona fizyczny obrót o 360° względem gwiazd, Słońce nie wraca jeszcze w to samo położenie na niebie. Ziemia musi obrócić się trochę „dodatkowo”, aby Słońce znów znalazło się w tym samym miejscu (np. w czasie lokalnego południa).

Ten dodatkowy kąt to właśnie około 1°, którego „nadgonienie” zajmuje mniej więcej 4 minuty. Efekt: pełny obrót względem gwiazd (dzień gwiazdowy) jest krótszy od obrotu mierzonego względem Słońca (dzień słoneczny).

Matematycznie można to ująć w prostym przybliżeniu:

rok to około 365 dni słonecznych,
w tym czasie Ziemia wykonuje około 366 obrotów względem gwiazd,
stąd dzień gwiazdowy ≈ 365/366 długości dnia słonecznego.

Ta niewielka różnica jest kluczowa, gdy wchodzi się na poziom dokładnych obliczeń astronomicznych, ale na lekcji geografii wystarcza ogólna świadomość, że dzieje się tak z powodu jednoczesnego ruchu obrotowego i obiegowego Ziemi.

Dzień słoneczny a czas zegarowy

W codziennym życiu używany jest czas słoneczny średni, który uśrednia zmiany w długości dnia słonecznego w ciągu roku. Rzeczywisty czas między kolejnymi górowaniami Słońca nie jest idealnie stały – zmienia się nieznacznie wskutek:

eliptycznego kształtu orbity Ziemi,
nachylenia osi Ziemi pod kątem około 23,5°.

Razem powoduje to, że „prawdziwy” dzień słoneczny bywa trochę krótszy lub dłuższy niż 24 h. Zegarki nie mogłyby wtedy chodzić równym rytmem, dlatego zdefiniowano średni dzień słoneczny: teoretycznie stałe 24 godziny, będące uśrednieniem wahań w ciągu roku.

To właśnie do tego średniego dnia słonecznego dopasowany jest system godzin, minut i sekund oraz strefy czasowe. Z punktu widzenia ucznia warto zapamiętać: „24 godziny” to pewne uśrednienie dopasowane do naszego sposobu liczenia czasu, a nie idealnie sztywny czas fizycznego obrotu.

Jak dokładny jest obrót Ziemi?

Obrót Ziemi nie jest idealnie stały. Przy bardzo dokładnych pomiarach zauważalne są niewielkie zmiany jego długości. Powody są różne i obejmują zarówno procesy zachodzące wewnątrz planety, jak i na jej powierzchni.

Co wpływa na długość doby?

Na długość doby wpływa kilka czynników, które działają jednocześnie:

Oddziaływanie Księżyca – siły pływowe wywołane przez Księżyc (i w mniejszym stopniu przez Słońce) powodują stopniowe „hamowanie” obrotu Ziemi. Skutkiem jest bardzo powolne wydłużanie się doby – rzędu ułamków sekundy na tysiące lat.
Ruchy wewnętrzne Ziemi – przepływy materii w płaszczu i jądrze, trzęsienia ziemi czy zmiany rozkładu masy mogą minimalnie zmieniać tempo obrotu, podobnie jak łyżwiarka obracająca się szybciej lub wolniej po przyciągnięciu rąk.
Atmosfera i oceany – masy powietrza i wody przemieszczają się po powierzchni Ziemi, co też wpływa na rozkład masy i nieznacznie modyfikuje prędkość obrotu.
Zlodowacenia i topnienie lodów – duże pokrywy lodowe w pobliżu biegunów lub ich topnienie i redystrybucja wody zmieniają „wyważenie” planety.

W efekcie długość doby jest czasem korygowana w oficjalnym czasie atomowym poprzez dodawanie tzw. sekundy przestępnej. Z punktu widzenia szkolnej geografii nie jest konieczna znajomość szczegółów, ale warto mieć świadomość, że 24 h to wartość umowna, lekko korygowana przez naukowców.

W skali życia człowieka zmiany długości doby są praktycznie niezauważalne – rzędu milisekund – ale w skali milionów lat doba staje się coraz dłuższa.

Jak mierzy się obrót Ziemi w praktyce?

Współczesna nauka korzysta z bardzo dokładnych metod, żeby mierzyć czas obrotu Ziemi. To nie jest już tylko obserwacja Słońca na niebie.

Nowoczesne metody pomiaru

Najważniejsze stosowane obecnie metody to:

VLBI (Very Long Baseline Interferometry) – sieć radioteleskopów na całym świecie obserwuje odległe kwazary (bardzo dalekie obiekty pozagalaktyczne). Są one praktycznie nieruchome względem Ziemi, więc świetnie nadają się jako „gwiazdowy” punkt odniesienia. Analiza sygnałów pozwala wyznaczyć dokładny kąt obrotu Ziemi.
Systemy satelitarne – GPS, GLONASS, Galileo i inne systemy wykorzystują bardzo precyzyjne zegary atomowe. Porównując czasy i pozycje sygnałów, można śledzić tempo obrotu Ziemi z dokładnością do ułamków milisekundy.
Umowne definicje sekund i doby – sekunda nie jest już definiowana przez obrót Ziemi, lecz przez drgania atomu cezu. Dopiero na tę „siatkę” bardzo dokładnych sekund nakłada się informacje o rzeczywistym obrocie planety.

Dzięki temu wiadomo, że nasza planeta nie kręci się jak idealny, równomierny bączek, tylko jak nieco „niedoskonała” kula, na którą działa wiele sił.

Ruch obrotowy Ziemi a zjawiska geograficzne

Informacja, ile trwa obrót Ziemi, nie jest suchą ciekawostką. Z ruchem obrotowym wiąże się szereg zjawisk, które pojawiają się w szkolnej geografii.

Najważniejsze skutki ruchu obrotowego to:

następowanie po sobie dnia i nocy – w ciągu jednej doby każde miejsce na Ziemi (poza wyjątkami na biegunach podczas dnia lub nocy polarnej) przechodzi przez strefę oświetloną i nieoświetloną,
pozorny ruch Słońca po niebie – to nie Słońce naprawdę „wędruje” od wschodu do zachodu, lecz Ziemia się obraca,
strefy czasowe – podział kuli ziemskiej na pasy o szerokości około 15° długości geograficznej (czyli jedną godzinę czasu),
siła Coriolisa – wpływająca na kierunek wiatrów i prądów morskich (na półkuli północnej odchylenie w prawo, na południowej w lewo),
spłaszczenie Ziemi na biegunach – wskutek obrotu Ziemia nie jest idealną kulą, tylko ma kształt zbliżony do elipsoidy obrotowej, szerszej na równiku.

Wszystkie te zjawiska zależą bezpośrednio od faktu, że Ziemia wykonuje pełny obrót w czasie zbliżonym do 24 godzin. Gdyby doba była znacznie krótsza lub dłuższa, układ wiatrów, klimat oraz codzienne życie ludzi wyglądałyby zupełnie inaczej.

Czy kiedyś doba była krótsza?

Badania geologiczne i paleontologiczne sugerują, że w przeszłości Ziemia obracała się szybciej. Analiza warstw osadów czy przyrostów w skamieniałych organizmach wskazuje, że setki milionów lat temu w jednym roku mieściło się znacznie więcej dób niż obecnie.

Szacuje się, że:

około 400 milionów lat temu doba trwała mniej niż 22 godziny,
liczba dni w roku była wtedy większa – ponad 400 dób.

Powodem jest wspomniane wcześniej „hamowanie” obrotu przez siły pływowe Księżyca. Energia obrotu Ziemi jest stopniowo przekazywana na oddalanie się Księżyca od naszej planety. Proces ten jest bardzo powolny, więc nie ma znaczenia w skali kilku pokoleń, ale jest istotny w skali historii Ziemi.

W dalekiej przyszłości doba na Ziemi będzie jeszcze dłuższa niż obecnie – ale mowa tu o milionach, a nawet miliardach lat.

Podsumowanie: co warto zapamiętać na lekcję geografii?

Najważniejsze fakty związane z czasem obrotu Ziemi wokół własnej osi:

Pełny obrót Ziemi względem gwiazd (dzień gwiazdowy) trwa około 23 godziny 56 minut 4 sekundy.
Dzień słoneczny, czyli to, co mierzą zegarki, trwa średnio 24 godziny – jest to uśredniony czas między kolejnymi górowaniami Słońca.
Różnica 4 minut wynika z jednoczesnego obrotu Ziemi wokół własnej osi i jej ruchu po orbicie wokół Słońca.
Doba nie jest idealnie stała – w bardzo długich okresach czasu stopniowo się wydłuża, głównie z powodu oddziaływania Księżyca.

Dla szkolnej odpowiedzi wystarczy „24 godziny”, ale zrozumienie, skąd bierze się ta liczba i dlaczego nie jest absolutnie dokładna, pomaga lepiej ogarnąć całą resztę zjawisk związanych z ruchem Ziemi i budową czasu geograficznego.