Wszechświat

Wszechświat (kosmos) to wszystko, co istnieje, czyli wszystkie obiekty astronomiczne (zarówno materia, jak i energia) wraz z czasoprzestrzenią i prawami, które nimi rządzą.

Budowa Wszechświata

Poglądy na temat budowy Wszechświata na przestrzeni dziejów były różne – od tych najbardziej prymitywnych, które dziś wydają się śmieszne i nieprawdopodobne, do tych jak najbardziej prawdopodobnych. Wraz z rozwojem astronomii poglądy te zmieniały się. W czasach historycznych bardzo długo (od II w. n.e.) obowiązywała teoria geocentryczna, która zakładała, że Ziemia znajduje się w centrum Wszechświata. Przełomowym wydarzeniem było ogłoszenie przez Mikołaja Kopernika teorii heliocentrycznej (w XVI w.), według której to nie Ziemia, lecz Słońce jest centralnym obiektem w kosmosie.

1

Informacje

Teoria geocentryczna

Teoria heliocentryczna

autor

Klaudiusz Ptolemeusz

Mikołaj Kopernik

czas ogłoszenia

II w. n.e. (ok. 140 r.)

XVI w. n.e. (1543 r.)

uznana dopiero w XVII w.

tytuł dzieła, w który, zostało ogłoszone

Megále Sýntaxis – Wielki Zbiór (Almagest)

De revolutionibus orbium coelestium

(O obrotach sfer niebieskich)

założenia teorii

  • Nieruchoma Ziemia jest centrum Wszechświata, a wszystkie inne ciała niebieskie (Księżyc, Merkury, Wenus, Słońce, Mars, Jowisz i Saturn) krążą wokół niej.

  • Słońce i Księżyc poruszają się ruchem jednostajnym po kolistej orbicie, a ruch pozostałych wymienionych ciał niebieskich odbywa się w inny sposób – po kołowej orbicie (tzw. deferencie) ruchem jednostajnym porusza się środek innej orbity kołowej, o mniejszej średnicy (tzw. epicykl), po której z kolei porusza się ruchem jednostajnym planeta.

  • Za Saturnem rozciąga się strefa gwiazd stałych (obracają się wokół Ziemi w czasie jednej doby ziemskiej).

  • Nieruchome Słońce stanowi centrum Wszechświata, a Ziemia jest jedną z planet krążących wokół niego ruchem jednostajnym po orbitach kołowych.

  • Oprócz ruchu obiegowego wokół Słońca Ziemia wykonuje także ruch obrotowy wokół własnej osi.

  • Księżyc krąży wokół Ziemi.

  • Z uwagi na założenie kolistego kształtu orbit ciał niebieskich, Kopernik zauważył pewne nieścisłości w bezpośrednich obserwacjach, dlatego przyjął, że niektóre planety – podobnie jak w teorii geocentrycznej – muszą dodatkowo krążyć po epicyklach.

  • Podtrzymanie obecności strefy gwiazd stałych.

graficzna interpretacja teorii

RBQfQYoKDmxDU
Film nawiązujący do treści materiału - dotyczy wizualizacji teorii geocentrycznej.
RcpY0HdofcAcW
Film nawiązujący do treści materiału - dotyczy wizualizacji teorii heliocentrycznej.

uwagi

Podwaliny tej teorii stworzył już w IV w. p.n.e. Arystoteles.

Teoria była zaprzeczeniem dotychczasowego sposobu postrzegania Wszechświata, który był kanonem astronomii przez szesnaście wieków. Dzieło to figurowało w Indeksie ksiąg zakazanych (łac. Index librorum prohibitorum). Kopernik zakwestionował podstawowe prawa astronomii, filozofii i religii (herezja), dlatego przez wiele lat teoria nie była uznawana. Nawet sam astronom, który przecież był osobą duchowną, ogłosił ją dopiero na łożu śmierci. Model ten przetrwał – z niewielkimi poprawkami – do dziś.

Co ciekawe, Arystarch z Samos już w III w p.n.e. twierdził, że Słońce jest nieruchome, a glob ziemski obiega je w okresie rocznym, dokonując jednocześnie ruchu obrotowego dokoła własnej osi.

Powstanie Wszechświata

Powstanie Wszechświata – w nauce – tłumaczy się najczęściej teorią Wielkiego Wybuchu:

  • według teorii Hubble’a cała materia i energia Wszechświata była na początku skupiona w jednym punkcie o nieskończenie wielkiej gęstości i temperaturze;

  • 13,8 mld lat temu miał miejsce Wielki Wybuch;

  • od tego momentu Wszechświat nieustannie rozszerza się we wszystkich kierunkach – zmniejsza się jego gęstość, energia i temperatura materii;

  • dzięki rozszerzaniu oraz przemianom materii cząstki elementarne mogły tworzyć bardziej złożone struktury;

  • 200 mln lat po wybuchu powstały pierwsze gwiazdy, które przekształciły się w większe struktury;

  • rozszerzanie, czyli ekspansja Wszechświata, zachodzi zgodnie z prawem Hubble’a (1929 r.): prędkość oddalania się od siebie galaktyk jest wprost proporcjonalna do odległości między nimi.

Podstawowymi elementami Wszechświata, które są obiektami jasnymi – świecą światłem własnym – są gwiazdy. To gazowe kule, zbudowane z wodoru i helu, które w wyniku zachodzących w ich wnętrzach reakcji termojądrowychreakcja termojądrowareakcji termojądrowych wytwarzają energię świetlną i cieplną. Powszechnymi obiektami są też mgławice, czyli skupiska drobnego pyłu lub gazu kosmicznego (np. Koński Łeb). Są to jedne z najpiękniejszych elementów Wszechświata. Z fragmentów mgławic mogą tworzyć się gwiazdy. Skupiska gwiazd i mgławic nazywamy gromadami lub gwiazdozbiorami. Nie są to jednak pojęcia tożsame. Gromada to grupa gwiazd o wspólnym pochodzeniu (genezie), natomiast gwiazdozbiór (konstelacja) to zgrupowanie gwiazd niekoniecznie związanych ze sobą wspólnym pochodzeniem, lecz tworzących efekt geometryczny. Gromady i konstelacje łączą się w galaktyki, czyli skupiska setek miliardów gwiazd wraz z innymi ciałami niebieskimi i ciemną materią. Wyróżniamy cztery główne rodzaje galaktyk: eliptyczne, spiralne, soczewkowate i nieregularne. Większość poznanych galaktyk należy do galaktyk spiralnych, które kształtem przypominają dysk, od środka którego odchodzą ramiona. Galaktyki łączą się w gromady galaktyk, a te zaś – w supergromady.

RApOZcCSOPArM
Schemat przedstawiający hierarchię najważniejszych elementów Wszechświata
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Polecenie 1

Poniższa rycina przedstawia gwiazdozbiór Wielkiej Niedźwiedzicy. Wskaż na nim tę część, którą nazywamy Wielkim Wozem.

R9Tfkj7fyYyJ0
Wybierz jedno nowe słowo poznane podczas dzisiejszej lekcji i ułóż z nim zdanie.
Gwiazdozbiór (konstelacja) Wielkiej Niedźwiedzicy
Źródło: Blueshade, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6523949, licencja: CC BY-SA 3.0.
RNQATlXDe5VWm
Wśród podanych określeń zaznacz astronomiczne jednostki odległości. Możliwe odpowiedzi: 1. parsek, 2. jednostka astronomiczna, 3. rok świetlny, 4. kilometry

Galaktyki i cała materia emitująca światło stanowi jedynie niewielką część Wszechświata. Dominuje w nim bowiem ciemna materiaciemna energia.

Układ Słoneczny

Z punktu widzenia człowieka najważniejszym elementem Wszechświata jest Ziemia, a wraz z nią Słońce, które warunkuje życie na naszej planecie. Słońce wraz ze wszystkimi ciałami niebieskimi powiązanymi z nim grawitacyjne oraz pyłem kosmicznym tworzą Układ Słoneczny. Jest on częścią galaktyki zwanej Drogą Mleczną lub po prostu Galaktyką (pisaną wielką literą). Jest to galaktyka spiralna, a Układ Słoneczny znajduje się w jednym z jej ramion – Ramieniu Oriona. Powstała ona prawdopodobnie ok. 13‑14 mld lat temu. Szacuje się, że jej średnica wynosi prawdopodobnie ok. 100 000 lat świetlnych i zawiera 200‑300 mld gwiazd. Droga Mleczna należy do Grupy Lokalnej Galaktyk. Najbliższą – pod względem odległości od Drogi Mlecznej – galaktyką spiralną jest Galaktyka Andromedy. Oddalone są one od siebie o ponad 2 mln lat świetlnych. Widoczna jest ona po północnej stronie nieba, a jej gwiazdą centralną jest Andromeda. Natomiast po południowej stronie nieba można dostrzec dwie inne galaktyki: Wielki i Mały Obłok Magellana. Co prawda są one bliżej Drogi Mlecznej niż Wielka Mgławica Andromedy, lecz są to galaktyki nieregularne, różniące się znacznie od naszej Galaktyki. Gwiazdą, która znajduje się najbliżej Ziemi – poza Słońcem – jest Proxima Centauri w gwiazdozbiorze Centaura, oddalona od nas o ok. 4,24 lat świetlnych. Natomiast najjaśniejszą gwiazdą nieba jest Syriusz (w gwiazdozbiorze Wielkiego Psa).

Budowa Układu Słonecznego

Układ Słoneczny budują: gwiazda (Słońce), osiem planet, księżyce, planetoidy, planety karłowate, komety, meteoroidy oraz materia pyłowo‑gazowa wypełniająca przestrzeń międzyplanetarną. Granicą Układu Słonecznego jest obłok Oorta, który rozciąga się koliście wokół Słońca i stanowi zbiorowisko komet.

RRUKrRrSXuDtK
Schemat budowy Układu Słonecznego
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1KU9pHUJdILH
Słońce Centralnym obiektem Układu Słonecznego jest Słońce powstałe 5 mld lat temu. Jest to olbrzymia gazowa kula zbudowana głównie z wodoru i helu. W jej wnętrzu zachodzą termojądrowe reakcje przemiany wodoru w hel, które są źródłem energii. Planety Są to kuliste obiekty zbudowane ze skał lub gazu, które obiegają gwiazdę po jej orbicie. Nie wytwarzają one własnego światła, lecz odbijają światło gwiazdy, wokół której krążą. Mają one wystarczającą masę, żeby osiągnąć kształt zbliżony do kulistego i oczyścić swoje sąsiedztwo z większych od siebie ciał niebieskich. Pierwsze planety spoza Układu Słonecznego odkrył polski astronom Aleksander Wolszczan.
Wokół Słońca krąży osiem planet. Dzielą się na: wewnętrzne (zwane też planetami typu ziemskiego) – są one bliżej Słońca, mają niewielkie rozmiary, posiadają budowę warstwową: skalną skorupę i metaliczne jądro, nie mają pierścieni gazowych, mają dużą gęstość i mniejsze spłaszczenie przy biegunach. Należą do nich: Merkury, Wenus, Ziemia i Mars; zewnętrzne (zwane gazowymi i gazowo‑lodowymi olbrzymami) – są one dalej od Słońca niż planety wewnętrzne, mają większe rozmiary, są cieczowo‑gazowe (jądra stałe lub ciekłe, a kolejne warstwy gazowe), ich głównymi składnikami są wodór i hel, a także amoniak i metan, mają gęstą i grubą atmosferę, pierścienie gazowe (choć dobrze widoczne są jedynie pierścienie Saturna), mniejszą gęstość i większe spłaszczenie przy biegunach. Należą do nich: Jowisz, Saturn, Uran i Neptun. opis WCAG, Planety karłowate Są to ciała niebieskie podobne do planet (i podobnie jak one obiegające jakąś gwiazdę), lecz mniejsze od nich (o średnicy do 4000 km). Różnią się tym od planet, że nie oczyściły one sąsiedztwa swojej orbity z innych obiektów. Podobnie jak planety, mogą one mieć własne księżyce. Jak dotąd, jedyne znane tego typu obiekty znajdują się w Układzie Słonecznym - ich 5: Eris, Pluton, Makemake, Haumea (w pasie Kuipera) oraz Ceres (w pasie między Marsem a Jowiszem).
Od momentu jego odkrycia w 1930 r. aż do 2006 r. Pluton był uznawany za dziewiątą planetę Układu Słonecznego. Jednak 23 sierpnia 2006 r. podczas Zgromadzenia Ogólnego Międzynarodowej Unii Astronomicznej w Pradze Plutona uznano za planetę karłowatą., Księżyce Są to ciała niebieskie krążące wokół planety (lub planety karłowatej) i święcące światłem odbitym gwiazdy. Są naturalnymi satelitami planet, a utrzymywane są na orbicie dzięki sile grawitacji. Najbardziej znany ze wszystkich jest naturalny satelita Ziemi – Księżyc (piany wielką literą) – drugi (po Słońcu) największy i najjaśniejszy obiekt na ziemskim niebie. Został on szerzej opisany poniżej. Merkury i Wenus nie mają księżyców, a Jowisz ma ich najwięcej - aż 63. Największym księżycem w Układzie Słonecznym jest Ganimedes (należący do Jowisza), bardzo dużym jest również Tytan (należący do Saturna)., Planetoidy (asteroidy) Podobnie jak planety i planety karłowate są obiektami krążącymi wokół gwiazdy. Ich rozmiary są jednak zdecydowanie mniejsze – mają one bowiem zaledwie do 1000 km średnicy. Są to ciała skalne lub metaliczne. Mają nieregularny kształt. Obiegają Słońce w dwóch pasach: głównym (między Marsem a Jowiszem), zewnętrznym Kuipera (za Neptunem), Współcześnie znanych jest ok. 30 tys. planetoid., Komety To obiekty, które krążą wokół gwiazd po bardzo wydłużonej orbicie. Zbudowane są głównie z lodu, gazów (dwutlenki węgla, amoniaku, metanu) i skał. Występują głównie w pasie Kuipera i obłoku Oorta na peryferiach Układu Słonecznego. Mogą one pojawiać się w okolicy Słońca albo z określoną częstotliwością, albo tylko raz. Ich główną część stanowi jądro. Gdy znajdują się blisko gwiazdy, wokół ich jądra tworzy się koma (świecąca gazowa otoczka) oraz charakterystyczny warkocz (ogon), którego istnienie związane jest z sublimacją lodu (głównego obok pyłu składnika komet). Powstała długa smuga jest zawsze skierowana na zewnątrz od centrum Układu Słonecznego.
Jedną z najpopularniejszych komet jest kometa Halleya . Okres jej obiegu wokół Słońca wynosi ok. 76 lat. Ostatni raz można było ją obserwować z Ziemi 9 lutego 1986. Kolejna taka możliwość będzie dopiero 28 lipca 2061., Meteoroidy Są to drobne ciała niebieskie o średnicy do 10 m występujące w przestrzeni międzyplanetarnej noszą nazwę meteoroidów . Mogą mieć one postać zarówno niewielkich bryły materii, jak i ziaren pyłu. Powstają one często w wyniku zderzenia planetoid. W przeciwieństwie do planetoid i komet, nie jesteśmy ich w stanie bezpośrednio zobaczyć. Wchodząc w atmosferę ziemską - na skutek tarcia - wywołuje zjawisko meteoru (potocznie: “spadającej gwiazdy”). Te z meteoroidów, które dotarły to powierzchni ziemi i nie uległy odparowaniu, są nazywane meteorytami . Meteoroidy krążą samotnie lub w rojach. Roje te są obserwowane ze ściśle określonego miejsca na ziemi oraz w podobnym okresie w ciągu roku. Przyczyną takiej regularności jest przechodzenie podczas ruchu obiegowego naszej planety przez pozostałość rozpadłych komet. Najbardziej spektakularne roje meteorów mają swoje nazwy, np. perseidy (w sierpniu), orionidy (w październiku), leonidy (w listopadzie), geminidy (w grudniu) czy akwarydy (w maju). Bardzo jasne meteory znane są jako bolidy .
Do Ziemi codziennie dociera nawet kilkaset milionów meteoroidów bardzo małej wielkości i większość z nich spala się w ziemskiej atmosferze. Duże meteoroidy, uderzając w powierzchnię Ziemi, tworzą w niej kratery różnych rozmiarów. Większość z nich powstała w poprzednich okresach geologicznych. Największym kraterem meteorytowym na Ziemi jest Vredefort w RPA (średnica ok. 160 km), który uderzył w Ziemię w paleoproterozoiku. Upadki meteorytów przyczyniają się do zmian w środowisko przyrodniczym: zmian klimatycznych, powstania fali uderzeniowej, tsunami, pożarów itp. Przypuszcza się, że upadek wielkiego meteorytu pod koniec kredy przyczynił się do wyginięcia dinozaurów.

Badanie Wszechświata

Astronomia jest jedną z najstarszych nauk – już w starożytności, bez pomocy jakichkolwiek urządzeń, obserwowano niebo i formułowano prawidłowości.

Źródła informacji o Wszechświecie

Obecnie obserwację nieba z Ziemi prowadzi się za pomocą teleskopów, głównie optycznych (pozwalają na obserwację ciał niebieskich emitujących światło widzialne) i radioteleskopów (pozwalają na obserwację ciał niebieskich, które nie emitują światła widzialnego, lecz fale radiowe).

W kosmosie istnieje szereg różnych obiektów umieszczonych tam przez człowieka. Wśród nich można wyróżnić: satelity – jeżeli krążą wokół Ziemi, sondy – jeżeli poruszają się inaczej, statki kosmiczne – jeżeli są pilotowane przez ludzi, stacje badawcze – jeżeli prowadzą badania, a także kosmiczne śmieci, czyli części rakiet, zepsuty sprzęt, satelity i sondy, które zakończyły swoją działalność. Na orbitach okołoziemskich funkcjonują też teleskopy kosmiczne, na przykład Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Został on wyniesiony w przestrzeń kosmiczną w 1990 roku i nazwany na cześć Edwina Hubble’a. Innym przykładem jest Kosmiczny Teleskop Keplera, który funkcjonuje od 2009 roku w celu poszukiwania innych układów planetarnych.

Wiele informacji o kosmosie uzyskuje się, badając fragmenty upadłych meteorytów.

Wielki Zderzacz Hadronów (ang. Large Hadron Collider, LHC) to największy na świecie akcelerator (urządzenie do przyspieszania cząstek). Celem eksperymentów przeprowadzanych w LHC jest lepsze poznanie właściwości cząstek elementarnych. Znajduje się on w Szwajcarii, w pobliżu Genewy.

Dorobek najważniejszych naukowców w zakresie badań Wszechświata

Oprócz dorobku Kopernika można wskazać osiągnięcia wielu innych osób w czasach nowożytnych i najnowszych. Poniżej przedstawiono wybrane osiągnięcia.

  • Galileusz skonstruował w XVII w. lunetę, odkrył plamy na Słońcu, pierścienie Saturna i kilka księżyców Jowisza,

  • Izaak Newton skonstruował w XVII w. teleskop i ogłosił teorię grawitacji.

  • Joseph von Fraunhofer (XVIII/XIX w.) odkrył, że Słońce i gwiazdy nie różnią się między sobą składem chemicznym.

  • Christian Doppler (początek XX w.) odkrył możliwości określenia kierunku i szybkości poruszania się dowolnego źródła światła na niebie. To właśnie dzięki temu odkryciu wydatowano początek Wszechświata.

  • Albert Einstein (XIX/XX w.) odkrył, że Wszechświat powstał w dniu, przed którym nie było „wczoraj”, a w czasie Wielkiego Wybuchu „praatomu” w bardzo wysokiej temperaturze z gęstej materii powstał wodór, który buduje cały kosmos.

  • Arno PenziasRobert Wilson w 1964 r. odkryli promieniowanie szczątkowe będące pozostałością po Wielkim Wybuchu.

  • W latach 60. XX w., dzięki nowoczesnym teleskopom, zlokalizowano we Wszechświecie kwazar, czyli obiekt emitujący promieniowanie elektromagnetyczne. Wypromieniowuje on ogromną ilość energii i przemieszcza się na zewnątrz kosmosu z olbrzymią prędkością. Jest oddalony od nas o ok. 15 mld lat świetlnych, zatem uznaje się go za najstarszy obiekt w kosmosie.

  • Stephen Hawking (XX/XXI w.) opublikował nowe odkrycia dotyczące początków kosmosu i czarnych dziur.

Również Polacy mieli swój udział w dziedzinie astronomii.

Postać

Osiągnięcie

Jan Stobner

w 1405 r. założył pierwszą w Polsce katedrę astronomii na Akademii Krakowskiej

Jan Heweliusz

gdański astronom, szczegółowo opisał i opracował mapy Księżyca, odkrył wiele komet i sporządził atlas gwiazd (XVII w.)

Kazimierz Kordylewski

w 1961 r. odkrył pyłowe księżyce naszej planety, czyli hipotetyczne obłoki pyłowe mające znajdować się na orbicie Księżyca

Bohdan Paczyński

zajmował się ewolucją gwiazd, rozbłyskami gamma i mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym (XX/XXI w.)

Aleksander Wolszczan

odkrył w 1991 r. pierwsze planety spoza US, które krążą wokół pulsara – gwiazdy neutronowej powstałej po wybuchu supernowej

Rola badań kosmicznych

Dzięki badaniu Wszechświata można dostrzec jego piękno i harmonię. To też dowód na kulistość Ziemi, gdyż można dostrzec jej kształt z kosmosu. Obecnie znamy tylko niewielką część Wszechświata – wszystko jest wciąż przed nami. Dotychczasowe badania pozwalają nam rozwijać systemy GPS, w szybszy i dokładniejszy sposób wykonywać mapy, oglądać telewizję satelitarną, coraz dokładniej wykonywać prognozy pogody i ostrzegać przed geozagrożeniami.

reakcja termojądrowa

Ruch obiegowy Ziemi

Ruch obiegowy Ziemi to ruch Ziemi wokół Słońca.

Cechy ruchu obiegowego Ziemi

R1W11odlxbVBo1
Wymyśl pytanie na kartkówkę związane z tematem materiału.
Cechy ruchu obiegowego Ziemi
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Trwa 365 dni 5 godzin 48 minut i 46 sekund. Odbywa się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara po eliptycznej orbicie. Średnia odległość Ziemi od Słońca wynosi ok. 150 mln km, lecz Słońce nie znajduje się w centrum orbity, tylko w jednym z jej ognisk, dlatego wyróżnia się: peryhelium i aphelium. Peryhelium – punkt orbity, w którym dystans między Ziemią a Słońcem jest najmniejszy (zatem obserwowane przez nas Słońce ma większy rozmiar); ma miejsce na początku stycznia, wtedy odległość ta wynosi 147 mln km, a prędkość ruchu jest największa 2 stycznia. Aphelium – punkt orbity, w którym dystans między Ziemią a Słońcem jest największy (zatem obserwowane przez nas Słońce ma mniejszy rozmiar); ma miejsce na początku lipca; wtedy odległość ta wynosi 152 mln km, a prędkość ruchu jest najmniejsza 4 lipca. Odbywa się ze średnią prędkością ok. 29,8 km/s. W ciągu jednego obrotu Ziemia pokonuje około 930 mln km.

R16BUXgq5HB1J
Schemat ruchu obiegowego Ziemi
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RuzfnIP4LfTQp
Ustawienie osi ziemskiej do względem płaszczyzny ekliptyki
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podczas pozornej wędrówki Słońca jego położenie zmienia się wzdłuż ekliptyki na tle pasa zodiakalnego. Jest on podzielony na 12 konstelacji gwiezdnych, zwanych znakami zodiaku. Można obrazowo powiedzieć, że Słońce w ciągu roku „przechodzi” kolejno przez 12 konstelacji, których nazwy powstały już w starożytności. Każdemu zodiakowi odpowiada punkt ekliptyki o tej samej nazwie. Rozmieszczone są one na ekliptyce co 30°. W znak Wagi Słońce wkracza 23 września, w dniu równonocy jesiennej, a w znak Barana – 21 marca, w dniu równonocy wiosennej. Wówczas Słońce przecina równik niebieski z ekliptyką. Natomiast w znak Raka Słońce wkracza 22 czerwca, w dniu przesilenia letniego, a w znak Koziorożca – 22 grudnia, podczas przesilenia zimowego. W tych dniach Słońce osiąga skraje punkty względem równika niebieskiego. Te cztery punkty to tzw. punkty kardynalne. Takie było pierwotne założenie. Jednakże w wyniku ruchu precesyjnego Ziemi, przez tysiące lat punkty te przesunęły się. Dlatego też mówić należy o wchodzeniu Słońca obserwowanego z Ziemi w punkt na ekliptyce, a nie w daną konstelację. Gwiazdozbiory możemy podzielić na wiosenne (np. Panna, Skorpion, Waga), letnie (np. Koziorożec, Strzelec, Wodnik), jesienne (np. Baran, Ryby) oraz zimowe (np. Bliźnięta, Rak).

R1N8uegKD3B2O
Sfera niebieska z zaznaczoną ekliptyką oraz poszczególnymi gwiazdozbiorami
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o. na podstawie P. Wład, Korepetytorium. Ziemia we Wszechświecie, Wydawnictwo Turystyczne Paweł Wład, Rzeszów 2012, licencja: CC BY-SA 3.0.

Konsekwencje ruchu obiegowego Ziemi

Konsekwencje ruchu obiegowego Ziemi

rok jako podstawowa jednostka czasu – konstrukcja kalendarza

zmiana drogi widomej wędrówki Słońca w ciągu roku, w tym:

  • zmiana wysokości górowania Słońca (najwyższe położenie tarczy słonecznej w ciągu doby – południe słoneczne) i kąta padania promieni słonecznych w ciągu roku

  • zmiana miejsca wschodu i zachodu Słońca,

  • zmiana długości trwania dnia i nocy (w tym dnie i noce polarne znacznie ograniczające możliwości funkcjonowania ludzi poza kołami polarnymi)

zmiana oświetlenia Ziemi w różnych szerokościach geograficznych:

  • występowanie stref oświetlenia Ziemi,

  • występowanie pór roku i różna długość ich trwania

  • powstawanie stref klimatycznych jako konsekwencji zróżnicowanego oświetlenia Ziemi; strefy klimatyczne w znaczny sposób wpływają na strefowość występowania gleb i roślin

zmiana odległości Ziemi od Słońca – różnice w ilości dostarczanego ciepła

zmiana wielkości Słońca obserwowanego z Ziemi

różnice w średniej długości trwania pór roku

Pory roku

Jednym z następstw ruchu obiegowego Ziemi jest występowanie pór roku. Terminy rozpoczęcia i zakończenia astronomicznych pór roku na półkuli północnej są zwykle tożsame lub różnią się w niewielkim stopniu.

1

Astronomiczne

Kalendarzowe

Meteorologiczne

Termiczne

  • w tym samym czasie na obu półkulach (północnej i południowej) trwają te same astronomiczne pory roku; daty graniczne są związane z położeniem Ziemi względem Słońca i jej oświetleniem, lecz w zależności od roku mogą się różnić o 1‑2 dni:

  • 21 marca – początek astronomicznej wiosny,

  • 22 czerwca – początek astronomicznego lata,

  • 23 września – początek astronomicznej jesieni,

  • 22 grudnia – początek astronomicznej zimy.

zależą od wysokości górowania Słońca nad horyzontem; na półkuli północnej są zbieżne z astronomicznymi porami roku, natomiast na półkuli południowej – nie są zbieżne, np. podczas astronomicznej zimy (od 22 grudnia do 20 marca) na półkuli północnej trwa kalendarzowa zima, a na półkuli południowej trwa astronomiczne lato.

zostały ustalone na potrzeby obliczeń meteorologicznych i klimatologicznych; na półkuli północnej:

  • wiosna – 1.03 – 31.05,

  • lato – 1.06 – 30.09,

  • jesień – 1.10 – 30.11

  • zima – 1.12 – 28.02 (29.02).

wyznaczone na podstawie średniej dobowej temperatury powietrza, np. termiczne pory roku w Polsce wg E. Romera:

  • zima: ≤ 0°C,

  • przedwiośnie: 0°C‑5°C,

  • wiosna: 5°C‑15°C,

  • lato: > 15°C,

  • jesień: 5°C‑15°C,

  • przedzimie: 0°C‑5°C.

W wyniku zmian prędkości poruszania się Ziemi po orbicie wokół Słońca (drugie prawo Keplera) długość poszczególnych astronomicznych pór roku nie jest dokładnie taka sama:

  • wiosna trwa od 21 marca do 21 czerwca (93 dni),

  • lato trwa od 22 czerwca do 22 września (94 dni),

  • jesień trwa od 23 września do 21 grudnia (90 dni),

  • zima trwa od 22 grudnia do 20 marca (89 dni/90 dni).

Zmiana oświetlenia Ziemi

1

równonoc wiosenna

przesilenie letnie

równonoc jesienna

przesilenie zimowe

R1dk4yJLonSnQ
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R14u2mNpK6VdY
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RzEQJglMaMRTf
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1bcfoyw6bmHn
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

data*

21 marca

22 czerwca

23 września

22 grudnia

promienie słoneczne padają pod kątem 90° na:

równik

zwrotnik Raka

równik

zwrotnik Koziorożca

Słońce wchodzi pozornie w znak:

Barana

Raka

Wagi

Koziorożca

na półkuli N rozpoczyna się:

astronomiczna wiosna
kalendarzowa wiosna

astronomiczne lato
kalendarzowe lato

astronomiczna jesień
kalendarzowa jesień

astronomiczna zima
kalendarzowa zima

na półkuli S rozpoczyna się:

astronomiczna wiosna
kalendarzowa jesień

astronomiczne lato
kalendarzowa zima

astronomiczna zima
kalendarzowa wiosna

astronomiczna zima
kalendarzowe lato

dzień

na całej kuli ziemskiej trwa 12 h

na półkuli północnej jest najdłuższy w roku, a na półkuli południowej – najkrótszy w roku

na całej kuli ziemskiej trwa 12 h

na półkuli północnej jest najkrótszy w roku, a na półkuli południowej – najdłuższy w roku

noc

na całej kuli ziemskiej trwa 12 h

na półkuli północnej jest najkrótsza w roku, a na półkuli południowej – najdłuższa w roku

na całej kuli ziemskiej trwa 12 h

na półkuli północnej jest najdłuższa w roku, a na półkuli południowej – najkrótsza w roku

dzień polarny

rozpoczyna się na biegunie północnym, a kończy się na biegunie południowym

trwa za kołem podbiegunowym północnym

rozpoczyna się na biegunie południowym, a kończy się na biegunie północnym

panuje za kołem podbiegunowym południowym

noc polarna

rozpoczyna się na biegunie południowym, a kończy się na biegunie północnym

panuje za kołem podbiegunowym południowym

rozpoczyna się na biegunie północnym, a kończy się na biegunie południowym

panuje za kołem podbiegunowym północnym

Indeks górny *równonoce i przesilenia mogą wystąpić jeden lub dwa dni wcześniej Indeks górny koniec

Zmiana drogi widomej wędrówki Słońca w ciągu roku

Ze zmianą obserwowanej przez nas widomej wędrówki Słońca nad widnokręgiem wiążą się:

zmiana wysokości górowania Słońca (i tym samym – kąta padania promieni słonecznych), która jest wynikiem nachylenia osi ziemskiej i powoduje zmienny dopływ energii słonecznej w różnych porach roku i w różnych szerokościach geograficznych (sposób obliczania tego parametru znajduje się w grafice interaktywnej na kolejnej stronie);

zmiana miejsca wschodu i zachodu Słońca – oprócz obszarów okołobiegunowych obserwuje się następuje prawidłowości: podczas równonocy Słońce na Ziemi wschodzi na wschodzie, a zachodzi – na zachodzie, podczas przesilenia letniego Słońce na Ziemi wschodzie na północnym wschodzie, a zachodzi – na północnym zachodzie, natomiast podczas przesilenia zimowego Słońce na Ziemi wschodzi na południowym wschodzie, a zachodzi na południowym zachodzie;

Dzień

równonoc wiosenna i jesienna

przesilenie letnie

przesilenie zimowe

Słońce wschodzi na:

wschodzie

północnym wschodzie

południowym wschodzie

Słońce zachodzi na:

zachodzie

północnym zachodzie

południowym zachodzie

zmiana strony nieba, po której Słońce góruje – oprócz obszarów, gdzie zachodzi zjawisko dni i nocy polarnych, obserwuje się następujące prawidłowości:

Dzień

równonoc wiosenna i jesienna

przesilenie letnie

przesilenie zimowe

promienie słoneczne padają pod kątem prostym na:

równik

zwrotnik Raka

zwrotnika Koziorożca

obszary, na których Słońce góruje po północnej stronie nieba

na południe od równika

na południe od zwrotnika Raka

na południe od zwrotnika Koziorożca

obszary, na których Słońce góruje po południowej stronie nieba

na północ od równika

na północ od zwrotnika Raka

na północ od zwrotnika Koziorożca

zmiana długości dziennej drogi Słońca (zmiana długości trwania dnia i nocy): zimą na półkuli północnej długość dnia skraca się w miarę zbliżania się do bieguna (gdzie panuje noc polarna), a latem – wydłuża się, na półkuli południowej obserwujemy odwrotną sytuację.

R1W47aWk1r3fc

Długość trwania dnia na wybranych równoleżnikach w dniach przesilenia letniego i przesilenia zimowego.

równoleżnik

przesilenie letnie

przesilenie zimowe

90°N

dzień polarny

noc polarna

66°34′N

24 h

0 h

60°N

18 h 27 min

5 h 33 min

40°N

14 h 52 min

9 h 8 min

20°N

13 h 13 min

10 h 47 min

12 h

12 h

20°S

10 h 47 min

13 h 13 min

40°S

9 h 8 min

14 h 52 min

60°S

5 h 33 min

18 h 27 min

66°34′S

0 h

24 h

90°S

noc polarna

dzień polarny

Strefy oświetlenia Ziemi

Na skutek zmiennego oświetlenia Ziemi wyróżnia się pięć stref oświetlenia Ziemi: strefę międzyzwrotnikową, dwie strefy umiarkowane i dwie strefy okołobiegunowe. Jej granicami są zwrotniki i koła podbiegunowe.

RdUbOnDvW8gDu
Strefy oświetlenia Ziemi
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Strefy oświetlenia Ziemi

Charakterystyka

międzyzwrotnikowa

  • rozciąga się między zwrotnikiem Raka i zwrotnikiem Koziorożca,

  • w każdym miejscu tej strefy Słońce góruje w zenicie dwukrotnie w ciągu roku (nad zwrotnikami tylko raz),

  • strefa ta otrzymuje najwięcej energii słonecznej,

  • różnice w długości trwania dnia i nocy są niewielkie (największe na zwrotnikach – ok. 3 h),

  • słabo wyróżniające się pory roku,

umiarkowane

  • rozciągają się między zwrotnikami a kołami podbiegunowymi: między zwrotnikiem Raka a kołem podbiegunowym północnym oraz między zwrotnikiem Koziorożca a kołem podbiegunowym południowym,

  • Słońce w tej strefie nigdy nie góruje w zenicie (z wyjątkiem zwrotników),

  • im bliżej kół podbiegunowych, tym wysokość górowania Słońca jest niższa,

  • im bliżej kół podbiegunowych, tym większe różnice w długości trwania dnia i nocy – podczas astronomicznego lata dni są dłuższe niż noce, a podczas astronomicznej zimy jest odwrotnie (różnica długości trwania dnia i nocy wynosi od ok. 3 h na zwrotnikach do 24 h na kole podbiegunowym),

  • bardzo wyraźnie zaznaczone pory roku,

  • zajmują ponad połowę powierzchni Ziemi,

okołobiegunowe
(podbiegunowe)

  • rozciągają się na północ od koła podbiegunowego północnego oraz na południe od koła podbiegunowego południowego,

  • Słońce w tej strefie nigdy nie góruje w zenicie,

  • strefa ta otrzymuje najmniej energii słonecznej,

  • są to jedyne strefy, w których występuje zjawisko dnia polarnego i nocy polarnej,

  • im bliżej biegunów, tym większe różnice w długości trwania dnia i nocy; maksymalnie do pół roku na biegunach,

  • pory roku są tam wyznaczone przez zmiany oświetlenia.

Ruch obrotowy Ziemi

Ruch obrotowy Ziemi – inaczej nazywany ruchem wirowym – jest to ruch Ziemi wokół własnej osi.

Cechy ruchu obrotowego Ziemi

R1LP5snJ5tGr4
Wymyśl pytanie na kartkówkę związane z tematem materiału.
Cechy ruchu obrotowego Ziemi
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Doba gwiazdowa, doba słoneczna i doba cywilna

Doba gwiazdowa to pełen obrót Słońca względem gwiazdy. Trwa 23 godziny 56 minut i 4 sekundy. W czasie doby gwiazdowej Ziemia wykonuje dodatkowo ruch obiegowy wokół Słońca (również w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara). Musi się ona jeszcze nieco obrócić, żeby była zwrócona znów tą samą stroną do Słońca. Czas między kolejnymi górowaniami Słońca to doba słoneczna, która trwa 24 godziny. Wyróżnia się także dobę cywilną, która również trwa 24 godziny, lecz trwa ona od 24:00 do 24:00 – w celu ułatwienia życia i pracy człowieka.

RB8zaCWyImF61
Graficzna prezentacja różnicy między dobą gwiazdową a dobą słoneczną:
1→2 doba gwiazdowa;
1→3 doba słoneczna.
Źródło: Gdr, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=80980, licencja: CC BY-SA 3.0.

Dowody na ruch obrotowy Ziemi

Ruch obrotowy jest przez nas nieodczuwalny, lecz istnieją co najmniej dwa dowody na jego istnienie.

Jako dowód na ruch wirowy Ziemi w 1851 r. Jean Bernard Léon Foucault powiesił długie (67 m) i ciężkie wahadło na kopule paryskiego Panteonu. W ciągu doby wahadło to zmieniło swoje położenie zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zakreślając rozetę. Jednak obrót wahadła Foucaulta jest równy pełnemu obrotowi Ziemi tylko na biegunach. W niższych szerokościach geograficznych należy zastosować wzór:

23 h 56 min sin s z e r o k o ś c i   g e o g r a f i c z n e j

Na równiku wahadło się nie obraca.

Innym dowodem jest nieznaczne odchylanie się ciał swobodnie spadających na wschód, ze względu na większą prędkość liniową punktu, z którego rozpoczynają ruch niż punktu na powierzchni Ziemi. Doświadczenie to zostało wykonane pod koniec XIX w. w Niemczech.

Ra33CGd81LMxG
R14ZsBmN2o4Ou

Ślady ruchów wahadła umieszczonego na obracającej się karuzeli. Podobne ślady pozostawiło wahadło Foucaulta, co jest dowodem ruchu obrotowego Ziemi

Schemat dowodu na ruch obrotowy Ziemi – odchylanie się ciał swobodnie spadających z dużej wysokości. Jest to następstwo siły Coriolisa, która została opisana poniżej.

Indeks górny Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o. na podstawie P. Wład, Korepetytorium. Ziemia we Wszechświecie, Wydawnictwo Turystyczne Paweł Wład, Rzeszów 2012; licencja: CC BY‑SA 3.0. Indeks górny koniec

Następstwa ruchu obrotowego Ziemi

RA0vOjmEahdKj
Schemat. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: Następstwa ruchu obrotowego Ziemi
    • Elementy należące do kategorii Następstwa ruchu obrotowego Ziemi
    • Nazwa kategorii: następowanie po sobie dnia i nocy
      • Elementy należące do kategorii następowanie po sobie dnia i nocy
      • Nazwa kategorii: dobowy rytm życia na Ziemi
      • Nazwa kategorii: zmiana czasu na kuli ziemskiej
      • Koniec elementów należących do kategorii następowanie po sobie dnia i nocy
    • Nazwa kategorii: pozorny ruch strefy niebieskiej ze wschodu na zachód, iluzja wschodu, górowania i zachodu Słońca
    • Nazwa kategorii: siła odśrodkowa
      • Elementy należące do kategorii siła odśrodkowa
      • Nazwa kategorii: spłaszczanie przy biegunach (ok. 21 km)
      • Nazwa kategorii: zmniejszona siła ciążenia na równiku
      • Nazwa kategorii: malejąca grubość troposfery od równika (ok. 17 km) od biegunów (ok. 7 km)
      • Nazwa kategorii: pływy morskie i ich przemieszczanie się
      • Nazwa kategorii: ruchy skorupy ziemskiej
      • Koniec elementów należących do kategorii siła odśrodkowa
    • Nazwa kategorii: siła Coriolisa
      • Elementy należące do kategorii siła Coriolisa
      • Nazwa kategorii: odchylanie się ciał spadających swobodnie z wysokości oraz poruszających się w różnych szerokościach geograficznych
      • Koniec elementów należących do kategorii siła Coriolisa
    • Nazwa kategorii: pole magnetyczne Ziemi
    • Koniec elementów należących do kategorii Następstwa ruchu obrotowego Ziemi

Siła Coriolisa na półkuli północnej odchyla w prawo wiatry (np. pasaty, monsuny, cyklony tropikalne), prądy morskie, pociski, bardziej podmywa prawe brzegi rzek, niszczy prawe szyny na torowiskach i daje prawoskrętny wir wody w wannie. Na półkuli południowej wszystkie te zjawiska mają odchylenie lewostronne. Siła ta nie działa na ciała poruszające się wzdłuż równoleżników.

R1ZrkTlLdSoqw
Zasada działania siły Coriolisa
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o. na podstawie P. Wład, Korepetytorium. Ziemia we Wszechświecie, Wydawnictwo Turystyczne Paweł Wład, Rzeszów 2012, licencja: CC BY-SA 3.0.

Pozorny ruch Słońca na niebie jest przez nas postrzegany odwrotnie do kierunku ruchu obrotowego Ziemi, a więc ze wschodu na zachód. Dotyczy to również innych ciał niebieskich. Szczegóły przedstawiono na rycinie w punkcie 1.

Zagadnienia dotyczące rachuby czasu jako następstwa ruchu obrotowego Ziemi zostały przedstawione w grafice interaktywnej.

Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.