Rotacija Zemlje

Dana 8. siječnja 1851. godine je francuski fizičar Leon Foucault 1851. godine u svom domu izveo demonstraciju kojom je dokazao da se Zemlja okreće oko svoje osi. Istu je pokazao u Pariškoj zvjezdarnici u veljači iste godine, da bi uveć u ožujku s vrha Panteona u Parizu na 67 metara dugačkom konopu objesio 28 kilograma tešku mjedenu kuglu ispunjenu olovom – Foucaultovo klatno ili njihalo. Time je demonstrirao da se ravnina ljuljanja njihala rotira u odnosu na podlogu, tj. da Zemlja rotira. Sada Foucaultovo njihalo koje demonstrira rotaciju Zemlje možete vidjeti u znanstvenim muzejima diljem svijeta.

Putujući kroz cijeli svemir i svoju galaksiju – Mliječnu stazu – Zemlja se okreće oko svoje osi i oko svoje zvijezde – Sunca. Zemlja se vrti u smjeru zapad – istok (smjer obrnut onome svakodnevnog kretanja Sunca kojeg vidimo na nebu sjeverne hemisfere), a vrijeme tijekom kojeg se Zemlja okrene oko svoje osi nazivamo danom i on traje 24 sata (360°/ 24h). Brzina rotacije Zemlje ovisi o geografskoj širini, obzirom na različite dužine paralela. Tako je brzina najveća na ekvatoru, gdje unutar 24 sata Zemlja prijeđe najduži put. Brzina na ekvatoru iznosi oko 1.675 km/h (oko 465 m/s). Na samim polovima brzina je jednaka nuli, dok na primjer na geografskoj širini Zagreba ona iznosi 1.167 km/h, u Varaždinu oko 10 km/h manje, a u Dubrovniku oko 65 km/h više od one u Zagrebu. Na ovoj poveznici pronađite kalkulator koji će vam reći točnu brzinu na temelju vaše unesene geografske širine.

Ideju o sferičnosti Zemlje je prvi pretpostavio Pitagora u 6.st.pr.n.e., a dokaze Aristotel dva stoljeća kasnije, kada je promatrao brodove koji su se približavali luci na način da su „rasli“ na horizontu i zaključio da su morali ploviti „po luku“. Kasnije, u 3.st. Eratosten je izmjerio opseg i radijus Zemlje. I prije ere čovjekovog promatranja Zemlje iz svemira, postojalo je nekoliko čvrstih dokaza i primjetljivih posljedica Zemljine rotacije:
👉 svakodnevno kretanje Sunca i cijelog nebeskog svoda s istoka na zapad – naravno, mi i Zemlja se krećemo, dok je kretanje Sunca prividna pojava;
👉 spljoštenost Zemlje na polovima – brzo gibanje rezultiralo je činjenicom da se, kao rezultat centrifugalne sile, više materije nalazi u ravnini ekvatora, a manje u polarnim područjima;
👉 postojanje dana i noći;
👉 razlika u trajanju osvijetljenosti različitih dijelova Zemlje obzirom na geografski smještaj (geografsku širinu);
👉 zakretanje smjera kretanja vjetrova, morskih struja i erozija obala nekih većih rijeka – na sjevernoj polutci u desno, a na južnoj polutci u lijevo (učinak Coriolisa);
👉 predmet bačen s velike visine ne pada ravno na Zemlju vođeno samo gravitacijom, nego malo ukoso; na našim geografskim širinama predmet bačen s visine od 100 metara past će oko 2 cm istočnije.

Slijedi nekoliko odgovora na zanimljiva pitanja povezana sa Zemljinom rotacijom.

Je li brzina Zemljine rotacije stalna?

Brzina kojom se naš planet okreće oko svoje osi svakodnevno varira i s vremenom se vrlo malo usporava. Međunarodna služba za rotaciju Zemlje i referentne sustave (IERS) s vremena na vrijeme dodaje prijestupne sekunde našim satovima kako bi bili usklađeni sa usporenom rotacijom Zemlje. Na taj način, doslovno „zaustavljajući“ satove za tu sekundu, Zemlji dajemo priliku da nas „sustigne“. Prosječan dan na Zemlji je oko 0,002 sekunde duži od 24 sata. Razlika raste na jednu sekundu u otprilike 1,5 godinu te se prijestupne sekunde tradicionalno dodaju na kraju 30. lipnja ili 31. prosinca, neposredno prije nego što sat otkucava ponoć. Međutim, brzina Zemljine rotacije stalno varira pa se ponekad dodavanje prijestupne sekunde preskače. Upravo to se dogodilo ove godine – u srpnju 2022. godine IERS je objavio kako krajem prosinca 2022. neće biti dodana planirana prijestupna sekunda, obzirom da je Zemljina rotacija u posljednje vrijeme relativno brza. Tako je upravo 29. lipanj 2022. godine proglašen za najkraći dan u povijesti računanja vremena – bio je za 1,59 milisekundi kraći od svog uobičajenog vremena rotacije. Za sljedeći mogući datum dodavanja prijestupne sekunde računa se 30. lipnja 2023. godine, no pitanje je hoće li doći do dodavanja. Iako su do sada sve prijestupne sekunde, njih 27, bile pozitivne (dodane), ukoliko Zemlja neznatno ubrza svoju rotaciju, one mogu biti i negativne (izostavljene). Prva prijestupna sekunda uvedena je 30. lipnja 1972. godine, a za sada zadnja – 31. prosinca 2016. godine. Sigurno ste čuli da vrijeme u današnje vrijeme najpreciznije mjerimo atomskim satom. Atomski sat se bazira na mjerenju vremena kretanjem elektrona u atomima koji su ohlađeni na apsolutnu nulu. Kako su atomski satovi precizni i nepromjenjivi, na njima s temelji službena međunarodna metoda mjerenja vremena, odnosno moderno Univerzalno koordinirano vrijeme (UTC). Upravo iz razloga usklađenja Zemljine rotacije i atomskih satova nastala je „prijestupna sekunda“.

Snimka zaslona UTC sata s time.gov tijekom prijestupne sekunde 31. prosinca 2016. — Snimka zaslona UTC sata sa Internet stranice time.gov tijekom prijestupne sekunde 31. prosinca 2016. godine

Ako se Zemlja vrti u smjeru istoka, zašto onda zrakoplovi ne putuju puno brže prema zapadu?

Odgovor donosi opsežna reportaža National Geographic-a, koja ukazuje na to da se Zemlja, okrećući se, povlači i sav zrak sa sobom – pa tako i onaj kroz koji zrakoplov prolazi. Na ekvatoru se Zemlja okreće i dvostruko brže nego što komercijalni zrakoplov može letjeti i ta brzina se umanjuje dok prilazite polovima, ali uvijek je brža od zrakoplova. Još luđa je činjenica da zrakoplov koji putuje prema zapadu, zapravo, putuje na istok, kao i čitava planet ispod njega. Zrakoplov samo ima motore koji mu pomažu da na istok putuje sporije od svega ostalog. Za zrakoplovnu industriju od rotacije Zemlje su puno važnije mlazne struje – tokovi zračne struje, poput tunela u atmosferi u kojima se susreću topli i hladni zrak. Te mlazne struje mogu za zrakoplovnu industriju biti pozitivne ili negativne. Rotacija Zemlje kovitla taj zrak pa on na sjevernoj hemisferi prelazi na istok, „gurajući“ avione koji lete u tom smjeru. Kako brzina tih struje doseže i do 225 km/h, korištenje ovih tunela može zrakoplovnoj kompaniji uštedjeti vrijeme, gorivo i novac.

Putujući na zapad zrakoplovom zapravo ne letimo na zapad, nego usporavamo naše kretanje prema istoku u odnosu na ostatak Zemlje i sloja atmosfere u kojem letimo

Što bi se dogodilo da se Zemlja prestane okretati?

Naravno, to bi bilo katastrofalno za veći dio površine planeta. U članku u časopisu Astronomy navode da bi u slučaju naglog zaustavljanja Zemlje sve na njezinoj površini odletjelo prema istoku: ljudi, kuće, drveće, kamene gromade i još mnogo toga, i to brzinom stotinama kilometara na sat. Nakon toga, vjetrovi velike brzine, koji bi se još uvijek vrtjeli gotovo jednako brzo kao planet, „očistili“ bi površinu. Kad bi se usporavanje događalo postupnije, učinci bi i dalje bili dramatični, ali bi se odvijali kroz dulje vremensko razdoblje. Prvo što bismo mogli primijetiti je da Sunce više ne putuje nebom tijekom jednog dana – jedan dan bi trajao pola godine. Takvo trajanje dana poremetili bi sav organski život na Zemlji. Nadalje, uvelike bi se promijenio način kretanja zračnih struja, obrasci vjetrova koji danas postoje bi se promijenili, što bi uzrokovalo neviđene klimatske promjene. Zemlja bez vrtnje značila bi i kraj uragana, što bi mogla biti jednom od rijetkih prednosti zaustavljanja vrtnje našeg planeta. Ali nepomičan planet vjerojatno bi značio i kraj našeg magnetskog polja. Učinci gubitka tog polja bili bi daleko gori nego jednostavno nemogućnost navigacije pomoću kompasa. Zemljino magnetsko polje štiti nas između ostalog od kozmičkih zraka i elektromagnetskih oluja Sunca – kraj čovjeka na Zemlji, a vjerojatno i uopće života kao takvog na našem planetu. Koliko znamo, ne postoje planeti koji uopće ne rotiraju. Procesi koji formiraju planete i druga nebeska tijela prirodno rezultiraju rotacijom, što znači da se svi svjetovi vrte od samog početka. Iako se rotacija Zemlje lagano usporava, naš planet se ne bi trebao prestati okretati.

Zemlja STOP — Čovjek ne bi preživio na Zemlji koja se ne vrti.

Što bi se dogodilo da se Zemlja počne brže okretati?

Čak bi i malo povećanje brzine, npr. za 2 km/h, učinilo stvari prilično čudnima. Ovu temu obradio je časopis Popular Science. Kad bi se Zemlja iznenada počela vrtjeti puno brže, čekale bi se neke drastične promjene. Ubrzanje njegove rotacije za jednu milju na sat (1,61 km/h), recimo, uzrokovalo bi migriranje vode s polova i podizanje razine oko ekvatora za nekoliko centimetara. Prošlo bi nekoliko godina da se to primijeti. Ono što bi moglo biti puno primjetnije je da bi neki umjetni satelita skrenuli s putanje. Naime, sateliti postavljeni u geosinkronu orbitu lete oko našeg planeta brzinom koja odgovara Zemljinoj rotaciji, tako da mogu cijelo vrijeme ostati na istom mjestu. Ako planet ubrza za 1,61 km/h, tada sateliti više neće biti na svojim pravilnim pozicijama, što znači da bi satelitska komunikacija, televizijsko emitiranje te vojne i obavještajne operacije mogle biti prekinute, barem privremeno. Neki sateliti nose gorivo i možda će moći prilagoditi svoje položaje i brzine u skladu s tim, ali druge će možda trebati zamijeniti, a to je skupo. To bi zasigurno poremetilo život i udobnost brojnih ljudi, ali ne bi trebalo biti katastrofalno za bilo koga. Centrifugalna sila Zemljine rotacije nas neprestano pokušava odbaciti s planeta, poput djeteta na rubu brzog vrtuljka, no gravitacija je trenutno jača i drži nas prizemljenima. Ali ako bi se Zemlja vrtjela brže, centrifugalna sila bi dobila poticaj i stvari bi postale katastrofalnije. Npr., Trenutno, ako težite oko 68 kg u Arktičkom krugu, na ekvatoru težite oko pola kilograma manje. To je zbog dodatne centrifugalne sile koja postoji na ekvatoru, jer Zemlja se tamo brže okreće te je centrifugalna sila uspješnija u borbi protiv gravitacije. Kada bi brzina rotacije Zemlje na ekvatoru porasla na 28.390 km/h (na oko 17 puta veću od trenutne), centrifugalna sila bi postala dovoljno velika da bi ljudi zapravo bili bez težine (ukoliko bi preživjeli). Stručnjaci smatraju da bismo pri povećanju brzine rotacije Zemlje svi bi stalno bili u jet-laggu. Što bi se Zemlja brže okretala, dani bi bili sve kraći. S povećanjem brzine od 1,6 km/h, dan bi postao samo minutu i pol kraći, a naši unutarnji tjelesni satovi, koji se drže prilično strogog 24-satnog rasporeda, vjerojatno to ne bi niti primijetili. Ali da se okrećemo 160 km/h brže nego inače, dan bi trajao oko 22 sata. Za naša bi tijela to bilo poput ljetnog računanja vremena „na pojačalima“. Umjesto da satove vratite za jedan sat unatrag, vraćali biste ih za dva sata svaki dan, bez šanse da se vaše tijelo prilagodi.

A promjena duljine dana vjerojatno bi upropastila biljke i životinje. Dodatno, s ubrzanjem rotacije Zemlje, vjetrovi bi postajali sve jači – uragani brže bi se brže vrtjeli i imali bi veću energiju. Dodatna brzina na ekvatoru znači da bi se tamo počela nakupljati voda u oceanima. Pri brzini većoj za 1,6 km/h trenutne brzine rotacije Zemlje, voda oko ekvatora bi postala nekoliko centimetara dublja u roku od samo nekoliko dana. No, pri povećanju brzine za 160 km/h, voda bi prekrila dobar dio svijeta – bazen Amazone, sjeverna Australija, otoci u ekvatorijalnom području – sve bi bilo prekriveno vodom. Pri još većim brzinama, voda bi se u potpunosti povukla iz polarnih područja, a središnji prostori bi bili pod vodom (izuzevši najviše vrhove Kilimandžara ili Anda). Pri takvom ubrzanju, voda na ekvatoru bi se lakše borila protiv gravitacije, što bi utjecalo na to da bi zrak u tim regijama bio pun vlage. U ovim regijama, obavijenim gustom maglom i teškim oblacima, mogle bi neprestano padati kiše. Naravno, i sama Zemlja bi reagirala seizmičkom aktivnošću – Zemljina kora bi se ubrzano pomaknula, spljoštivši se na polovima i izbočivši oko ekvatora. Te promjene bile bi popraćene ogromnim potresima. Naravno, sve navedene promjene uzrokovale bi do sada neviđene migracije stanovništva iz ekvatorijalnih područja i srednjih geografskih širina prema polarnim regijama, koje (kako vidimo) također ne bi bile najsigurnije.

Što će se dogoditi s brzinom Zemljine rotacije u budućnosti ne znamo. Znamo da se ista mijenjala u prošlosti. Na primjer, prije otprilike 4,4 milijarde godina, kada je nastao Mjesec tako što se nešto ogromno srušilo na Zemlju, naš planet je vjerojatno imao oblik spljoštene nogometne lopte i vrtio se tako brzo da je svaki dan mogao trajati samo oko četiri sata. Od formiranja Mjeseca, vrtnja Zemlje usporava se za oko 6,12 km/h svakih 10 milijuna godina, uglavnom zbog Mjesečevog gravitacijskog privlačenja na naš planet. Stoga je puno vjerojatnije da će se vrtnja Zemlje u budućnosti usporavati, a ne ubrzavati. Jedina hipotetska opcija znatnijeg ubrzavanja rotacije Zemlje je da bude pogođena nekim velikim objektom koji bi pretvorio Zemljinu koru u tekućinu. No, toj opcije nećemo moći svjedočiti jer nas tog istog trenutka više neće biti.