Trochę teorii
Ruch obiegowy Ziemi
Ziemia, tak jak inne planety Układu Słonecznego, obiega Słońce po orbicie eliptycznej zbliżonej kształtem do koła. Średnia odległość Ziemi od Słońca wynosi 150 mln km.
Cechy charakterystyczne ruchu obiegowego Ziemi
Ziemia obiega Słońce w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara;
czas trwania jednego obiegu Ziemi wokół Słońca to 365 dni, 5 godzin, 48 minut i 46 sekund;
w czasie tego ruchu oś Ziemi jest nachylona do płaszczyzny orbity stale pod kątem 66°33′, także płaszczyzna równika jest nachylona do płaszczyzny orbity Ziemi, a jej kąt nachylenia wynosi 23°27′;
w czasie ruchu obiegowego oś ziemska jest zawsze skierowana w stronę Gwiazdy Polarnej;
Ziemia krąży wokół Słońca po eliptycznej orbicie, średnia odległość od Słońca wynosi 150 mln km;
około 3 stycznia Ziemia znajduje się w najmniejszej odległości od Słońca, osiągając tzw. peryheliumperyhelium (odległość wynosi wówczas ok. 147 mln km);
około 4 lipca Ziemia znajduje się w największej odległości od Słońca, osiągając tzw. apheliumaphelium (odległość wynosi ok. 152 mln km);
prędkość ruchu Ziemi po orbicie nie jest stała. Nasza planeta porusza się najszybciej w peryhelium, a najwolniej w aphelium. Średnia prędkość ruchu obiegowego Ziemi wynosi 29,78 km/s.
Dowody na ruch obiegowy Ziemi
Roczna paralaksa gwiazd, czyli pozorna zmiana położenia gwiazd w ciągu roku;
aberracja światłaaberracja światła, czyli pozorny ruch położenia kątowego ciał niebieskich w ciągu roku.
Konsekwencje ruchu obiegowego Ziemi
Zmiana oświetlenia kuli ziemskiej w ciągu roku;
istnienie stref oświetlenia Ziemi;
zmiana miejsca wschodu i zachodu Słońca na widnokręgu;
zmienna długość trwania dnia i nocy;
zmienna ilość energii docierającej do różnych obszarów Ziemi – strefowość klimatyczno‑roślinno‑glebowa;
występowanie astronomicznych pór roku;
zmiana wysokości górowania Słońca w ciągu roku;
zjawisko dnia i nocy polarnej;
rachuba czasu na Ziemi (kalendarz).

Oświetlenie Ziemi w ciągu roku
Zmiany oświetlenia Ziemi w ciągu roku są konsekwencją ruchu obiegowego Ziemi wokół Słońca, który odbywa się po orbicie eliptycznej w okresie jednego roku gwiazdowego wynoszącego 365 dni 6 godzin 9 minut i 9,54 sekundy.

Nachylenie osi ziemskiej do ekliptykiekliptyki wynosi 66°33’, czego następstwem jest m.in. zmienna ilość energii otrzymywanej od Słońca w różnych porach roku na różnych szerokościach geograficznych. W okresie letnim kąt padania promieni słonecznych jest największy, a dni są długie, dzięki czemu ilość energii słonecznej dostarczanej do Ziemi jest największa w ciągu roku. Przeciwieństwem jest okres zimowy, gdy promienie słoneczne padają pod małym kątem, a dni są krótkie.
Oświetlenie Ziemi w początkowe dni kolejnych pór roku - galeria ryc

Strefy oświetlenia Ziemi
Stałe nachylenie osi obrotu Ziemi do ekliptyki powoduje, że podczas jej obiegu wokół Słońca jej powierzchnia oświetlana jest w różny sposób. Wyróżnia się pięć stref oświetlenia Ziemi, ograniczonych zwrotnikami i kołami podbiegunowymi.

Najsilniej oświetlona i nagrzewana przez Słońce jest strefa międzyzwrotnikowa ograniczona przez dwa równoleżniki – Raka (półkula północna) i Koziorożca (półkula południowa) o szerokości geograficznej równej najwyższej wartości deklinacji Słońca (23°26′16″ na półkuli północnej i -23°26′16″ na półkuli południowej). Strefa ta obejmuje centralnie położony równik. Silne oświetlanie i zarazem nagrzewanie wynika z faktu, że Słońce dwukrotnie góruje w zenicie w ciągu roku. Dzień i noc na równiku trwają zawsze po 12 godzin. Natomiast na ograniczających strefę zwrotnikach Raka i Koziorożca Słońce tylko raz w roku góruje w zenicie, w dniach przesileń letniego i zimowego.
Strefy umiarkowane zajmują obszar ograniczony z jednej strony przez wspomniane Zwrotniki Raka i Koziorożca, a z drugiej przez koła podbiegunowe, północne (szer. geogr. 66°33′N) i południowe (szer. geogr. 66°33′S). W strefie tej nie występuje zjawisko górowania Słońca w zenicie, a każdej doby zmienia się czas trwania dnia i nocy. Im bliżej kół podbiegunowych, tym wysokość górowania Słońca jest niższa, a różnice w długości trwania dnia i nocy większe.
Najsłabiej oświetlane i nagrzewane są strefy okołobiegunowe ograniczone kołami podbiegunowymi, w których występują zjawiska dni i nocy polarnych. Im bliżej biegunów, tym większe są różnice w długości trwania dnia i nocy dochodzące maksymalnie do pół roku na biegunach.

Zjawisko dnia i nocy polarnej
W ciągu dnia polarnego Słońce nie zachodzi, a środek tarczy słonecznej w czasie jej pozornej wędrówki utrzymuje się powyżej linii horyzontu przez co najmniej 24 godziny. Czas, w którym dowolna część tarczy słonecznej znajduje się nad horyzontem wynosi średnio na biegunach 186 dni (189 na biegunie północnym i 183 na południowym). Różnica w długości trwania dnia polarnego na biegunach wynika z eliptycznego kształtu orbity Ziemi.

Zjawisko dnia polarnego występuje naprzemiennie ze zjawiskiem nocy polarnej, kiedy to Słońce nie wschodzi, a środek tarczy słonecznej utrzymuje się poniżej linii widnokręgu przez co najmniej 24 godziny.
szerokość | półkula północna | liczba dni |
|---|---|---|
70°00'N | 26.11–16.01 | 51 |
75°00'N | 6.11–5.02 | 92 |
80°00'N | 22.10–20.02 | 122 |
90°00'N | 25.09–18.03 | 175 |

Jednak myli się ten, kto sądzi, że nadejście nocy polarnej oznacza całkowitą ciemność w strefach okołobiegunowych. Panuje ona tylko w miejscach położonych w odległości około 5,5° od biegunów i tylko wtedy, gdy Księżyc znajduje się znacznie poniżej horyzontu. Pozostała część strefy podbiegunowej doświadcza zamiast polarnej nocy tzw. polarnego zmierzchu. Dzieje się tak, ponieważ promienie Słońca znajdującego się poniżej linii horyzontu docierają do górnych warstw atmosfery, gdzie ulegają rozproszeniu i odbiciu w kierunku powierzchni Ziemi.
Białe noce to powtarzalne zjawisko astronomiczne występujące wiosną i latem w strefie okołobiegunowej i północnej części strefy umiarkowanej, polegające na tym, że zmierzch przechodzi bezpośrednio w świt a całkowita ciemność nie zapada, mimo że tarcza słoneczna znajduje się poniżej horyzontu. Przyczyną tego zjawiska jest rozpraszanie światła w górnych warstwach atmosfery powodujące to, że niebo pozostaje jasne. Białe noce w pełnej okazałości można obserwować np. w Sankt Petersburgu (11.06–2.07) czy Trondheim (20.05–20.07).

Wpływ zmian oświetlenia Ziemi w ciągu roku na życie i działalność człowieka
Zmienna długość dnia w ciągu roku powoduje, że działalność człowieka w niektórych rejonach świata jest mocno ograniczona i uzależniona od sztucznego oświetlenia (obszary polarne). Dotyczy to także roślinności, która potrzebuje energii słonecznej w procesie fotosyntezy i ma decydujący wpływ na możliwości rozwoju rolnictwa, a także innych gałęzi gospodarki.
Analizując warunki życia i gospodarczej działalności człowieka na Ziemi, można zauważyć, że mimo niewątpliwego postępu technicznego i naukowego ciągle jeszcze są one podporządkowane uwarunkowaniom środowiskowym. Świadczy o tym chociażby nakładanie się zasięgów anekumeny (częściowo także subekumeny) z zasięgiem obszarów o skrajnie niekorzystnych warunkach przyrodniczych, w których produkcja biomasy i życie zwierząt (a tym samym biologiczna egzystencja człowieka) napotykają trudne do przezwyciężenia bariery. Jedną z nich jest bariera świetlna związana z deficytem i nadmiarem światła oraz często z nią powiązana bariera termiczna. Występują one w różnych częściach świata, w których sezonowo występują znaczące różnice w dopływie promieniowania słonecznego. W najbardziej spektakularnej formie są one obecne na obszarach podbiegunowych, gdzie występuje zjawisko dnia i nocy polarnej z czym związany jest długotrwały deficyt i nadmiar światła.
U mieszkańców może powodować to zakłócenie naturalnego rytmu nocy i dnia, a w konsekwencji pracy i snu, znane pod nazwą depresji sezonowej lub choroby afektywnej sezonowej. Objawia się ona m.in. obniżeniem nastroju, przewlekłym zmęczeniem, problemami z wykonywaniem codziennych czynności czy wzmożoną sennością, współistniejącą z pogorszeniem jakości snu. Poprawę w tych dolegliwościach może przynieść terapia sztucznym światłem (fototerapia).

Rośliny, podobnie jak ludzie i zwierzęta, mają zegar biologiczny, dzięki któremu reagują na zmianę okresów światła i ciemności w ciągu doby, co określane jest mianem fotoperiodyzmu. Różnice w długościach dnia i nocy powodują u roślin m.in. zmiany w rozmnażaniu wegetatywnym, kwitnieniu czy wejściu w stan spoczynku. Zakłócenie cyklu dobowego ogranicza możliwości ich uprawy, chociaż, co trzeba przyznać, wiele gatunków uprawnych dostosowało się do zmian natężenia oświetlenia oraz rytmu dnia i nocy. Na tej podstawie rozróżnia się:
rośliny długiego dnia – kwitną, gdy okres dopływu światła przekracza wartość krytyczną, właściwą dla poszczególnych gatunków (np. szpinak, zboże, trawy, rzodkiewka, burak pastewny i cukrowy, marchew);
rośliny krótkiego dnia – kwitną, gdy okres dopływu światła jest krótszy niż wymagana przez gatunki wartość krytyczna (np. tytoń, kukurydza, proso, ryż, rzepak, soja);
rośliny obojętne – kwitną bez względu na długość dnia i nocy (np. gryka, pomidor, ogórek, groch, bób, ryż).
Czynnikiem ograniczającym uprawę rolniczą i warzywną w strefach podbiegunowych o sezonowo zmiennym dopływie promieniowania słonecznego jest dodatkowo bariera termiczna polegająca na występowaniu niskich temperatur powietrza i gruntu (wieloletnia zmarzlina). Jest ona związana bezpośrednio z długością dnia i wysokością Słońca nad horyzontem. Z tego względu podstawowe znaczenie dla życia mieszkańców i funkcjonowania osiedli ma dostawa żywności (zwykle konserwowanej i drogiej) z innych obszarów oraz uprawa roślin w systemie szklarniowym, która z roku na rok jest coraz bardziej intensywna. Przykładem mogą być oświetlane sztucznym światłem i ogrzewane szklarnie w Iqaluit, stolicy i największym mieście terytorium Nunavut w północnej Kanadzie, które dostarczają warzywa dla blisko 30 tys. mieszkańców tego regionu. Podobne formy uprawy istnieją w Longyearbyen – największym mieście archipelagu Svalbard, gdzie początkowo prowadzono (nieudane) próby uprawy ziemniaków metodą gruntową. Dziś rolnictwo ma charakter uprawy szklarniowej i zamkniętej hodowli zwierząt (drób, bydło, trzoda chlewna). Ten sposób działalności rolniczej jest także obecny w Barentsburgu, który w miesiącach zimowych jest prawie całkowicie odizolowany od dostaw żywności.

Mimo niekorzystnych świetlnych i termicznych warunków dla osadnictwa i rolnictwa na dalekiej północy Eurazji i Ameryki Północnej powstają miasta i osiedla pełniące różnorodne funkcje gospodarcze. Jest to możliwe dzięki temu, że człowiek nauczył się przezwyciężać, przynajmniej częściowo, niekorzystne uwarunkowania przyrodnicze poprzez dostosowanie stylu życia (wysokokaloryczna żywność, termiczna odzież, fototerapia itp.) oraz wykorzystanie odpowiednich metod uprawy i technologii budowy domów.
W Longyearbyen od 2008 roku mieści się Globalny Bank Nasion, w którym przechowywane jest obecnie ponad 750 000 ich różnych rodzajów. Są to głównie nasiona roślin jadalnych z całego świata. Bank usytuowany jest w tunelu wydrążonym w wiecznej zmarzlinie, dzięki czemu przechowywanie nasion odbywa się bez wykorzystania elektryczności.

Ruch obrotowy Ziemi
Ruchem obrotowym nazywamy obrót Ziemi wokół własnej osi. Obrót ten następuje z zachodu na wschód. Pełen ruch obrotowy trwa 24 godziny, czyli czas między górowaniami Słońca nad danym południkiem (doba słonecznadoba słoneczna). Czas jednego obrotu względem gwiazd wynosi 23 godziny 56 minut i 4,1 sekundy, czyli dobę gwiazdowądobę gwiazdową.
W związku z ruchem obrotowym prędkość liniowa na równiku wynosi 1 667 km/h, zmniejszając się w kierunku biegunów, gdzie wynosi 0. Zatem prędkość kątowa naszej planety wynosi około 360° w czasie 24 h, czyli około 15° w czasie 1 godziny i 1° w ciągu 4 minut.
Czy wiesz, że prędkość ruchu obrotowego Ziemi nie jest stała? Ulega ona wahaniom zarówno rocznym, jak i krótkookresowym. Ruch ten jest zmienny, przy czym przeważa jego zwalnianie.
Następstwa ruchu obrotowego Ziemi

Widoma (pozorna) wędrówka sfery niebieskiej ze wschodu na zachód – obserwujemy np. ruch Słońca, zmiany wysokości Słońca nad horyzontem, wschody i zachody ciał niebieskich.
Spłaszczenie Ziemi na biegunach – jest to skutek działania siły odśrodkowej. Promień biegunowy Ziemi (6357 km) jest krótszy od promienia równikowego (6378 km). Co ciekawe, maleje też grubość troposfery (najniższej warstwy atmosfery ziemskiej) – od obszarów równikowych (maksymalnie do 16–17 km) do okolic biegunów (ok. 7 km).

Zjawisko występowania dnia i nocy – zmienia się ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi w ciągu doby.
Dobowa rachuba czasu na Ziemi, dobowy rytm życia roślin i zwierząt.
Ze względu na ruch obrotowy na Ziemi zauważamy występowanie zjawiska dnia i nocy, co pozwala na określenie rachuby czasu. Ruch obrotowy kuli ziemskiej wpływa na pozorny ruch gwiazd po sklepieniu niebieskim, który występuje ze wschodu na zachód.
Naturalnym czasem na Ziemi jest czas słoneczny (miejscowy, lokalny), związany bezpośrednio z ruchem obrotowym Ziemi. Ziemia obraca się o 360° w czasie 24 godzin. Z tego faktu wynikają zasady zmiany czasu wraz ze zmianą długości geograficznej:
360° – 24 godziny
15° – 1 godzina
1° – 4 minuty
1′ – 4 sekundy
Według tego czasu południem jest moment górowania Słońca nad lokalnym południkiem ziemskim.
W życiu codziennym obowiązuje czas urzędowy, jednak naszym naturalnym czasem jest czas słoneczny (lokalny, miejscowy). Do jego wyznaczenia wystarczy obserwacja pozornego ruchu Słońca. Wiemy, że pełen obrót Ziemi wokół własnej osi, czyli o 360°, następuje w ciągu 24 godzin. Stąd możemy obliczyć, że w ciągu jednej godziny Ziemia obraca się o 15°. O 1° Ziemia obraca się w czasie 4 minut. Zależności te możemy wykorzystać do obliczania różnicy czasu słonecznego i długości geograficznej. Wszystkie punkty położone na jednym południku mają ten sam czas słoneczny (zwany też lokalnym, miejscowym). Godzinę 12:00 (południe słoneczne) wyznacza moment górowania Słońca na określonym południku miejscowym. Na czasie słonecznym opierają się inne czasy na Ziemi m.in. czas strefowy – strefa czasowa ma 15° długości geograficznej, a czas między kolejnymi strefami zmienia się o 1 godzinę. Przemieszczając się na wschód, dodajemy godziny, a na zachód odejmujemy.
Występowanie siły Coriolisa – jej istnienie związane jest z różnicami prędkości liniowych między punktami położonymi na powierzchni Ziemi w różnych szerokościach geograficznych. Siła ta odchyla znajdujące się w ruchu ciała na półkuli północnej w prawo, na południowej – w lewo. Nie ulegają odchyleniu jedynie przedmioty nieruchome lub przemieszczające się dokładnie wzdłuż dowolnego równoleżnika. Siła ta wpływa na zmianę kierunków wiatrów, prądów morskich, a nawet przyspiesza erozję prawych brzegów rzek na półkuli północnej, a lewych na południowej.


Występowanie mniejszej siły ciążenia na równiku. Im dalej od środka Ziemi i biegunów, tym jest mniejsza – najsłabiej oddziałuje na równiku. Zatem przedmioty znajdujące się na równiku są odrobinę lżejsze, niż gdybyśmy je podnosili na biegunie.