POHYBY ZEMĚ

• Země obíhá kolem Slunce (to však neleží ve středu elipsy, ale v jednom z jejích ohnisek),
• pohybuje se sluneční soustavou v Galaxii
• otáčí se kolem své osy,
• rotuje společně s Měsícem kolem společného těžiště,
• samotná zemská osa vykonává precesi a nutaci.

Všeobecně pohyby můžeme rozdělit na zdánlivé, které závisí pouze na naší poloze, jsme-li na povrchu Země, ve sluneční soustavě nebo někde jinde, a skutečné, které jsou fyzikálně podložitelné  a opravdu se dějí.

Retrográdní pohyby planet – jsem-li na Zemi, která je blíže Slunci, a jak se otáčí, tak vlastně předchází planety, které jsou od Slunce vzdálenější a tím pádem mají delší oběžnou dráhu.

Oběžná dráha Země kolem Slunce měří 1 * 10⁹ km. Doba úplného oběhu Země kolem Slunce (oběh o 360°) je zvána siderický (hvězdný) rok. Je to doba mezi dvěma po sobě následujícími stejnými postaveními Slunce mezi hvězdami (365,25 dní).

Vzdálenost Země od Slunce se během oběhu mění: v nejbližším bodě neboli přísluní (perihelu), kde je 3. až 4. ledna, činí 147,1 milionů km, naopak v nejvzdálenějším bodě neboli odsluní (afelu), kde je 3. až 4. července, dosahuje 152,1 milionů km. Oběžná rychlost je podle druhého Keplerova zákona největší v přísluní (31 km * s^-1) a nejmenší v odsluní (29 km * s^-1).

Sklon roviny rovníku k rovině ekliptiky je 23°26,5’, avšak během geologické historie Země docházelo k mírným změnám (± 0,5°).

Průsečíky mezi rovinou ekliptiky a světovým rovníkem

• jarní bod – sem se Slunce promítá 20. a 21. března v době jarní rovnodennosti, když zdánlivě přechází rovník z jižní polokoule na severní.
• podzimní bod – sem se Slunce promítá 22. a 23. září v době podzimní rovnodennosti, když zdánlivě překračuje rovník se severní polokoule na jižní.

Slunce se během roku zdánlivě pohybuje mezi hvězdami a určuje tak v prostoru rovinu oběhu Země kolem něj. Slunce se nám během roku promítá na ekliptiku. Rozdělím-li si ekliptiku (360°) na 12 stejných částí po 30° a položím-li si na ní rovníková a ekliptikální souhvězdí, dostanu tak zvířetník a zjistím, že se Slunce za každý měsíc přibližně stejně vzdálí od jarního bodu (neboli 0° Berana) právě o těchto 30°. V současnosti skutečná poloha těchto souhvězdí neodpovídá poloze posazené ve zvěrokruhu. Rozdíl mezi polohami činí 30°. Příčinou je, že se nebeská sféra nepatrně podtáčí, jsem-li ve středu sluneční soustavy.

Pohyb Slunce lze vztáhnout ke vzdáleným souhvězdím a vidět jeho pohyb v různých dobách.

ASTRONOMICKÁ STŘÍDÁNÍ ROČNÍCH OBDOBÍ

Střídání ročních období je závislé na oslunění Země a bilanci energie přijaté ze Slunce. Astronomické doby trvání ročních období nejsou důsledkem Keplerova zákona stejně dlouhé. Intenzitu slunečního záření měříme na určité ploše a zjišťujeme, pod jakým úhlem dopadají na povrch planety sluneční paprsky. Dopadají-li šikmo, je intenzita slunečního záření nižší, než pokud by dopadaly kolmo. Z toho vyplývá, že důležitým faktorem je pozice Slunce v poledne nad obzorem. Intenzita slunečního záření vůbec nezávisína délce dní, neboť délka dní závisí na zeměpisné šírce.

Slunce při svém relativním pohybu kolísá mezi obratníkem Raka (severní polokouli; j = 23 27’) aobratníkem Kozoroha (na jižní polokouli;
j = – 23 27’). Dalšími rovnoběžkami kromě obratníků, které mají zvláštní vztah k pozici Slunce v poledne během určitých částí roku jsou polární kruhy.

V den letního slunovratu (21. června a 22. června) dopadají sluneční paprsky kolmo na obratník Raka, d_S = 23 27’. Na severní polokouli začíná astronomické léto a na jižní astronomická zima. Úhel, který svírají sluneční dopadající sluneční paprsky se zemským povrchem je a = 90° – (j – e). Z toho plyne, že na 50° s. š. je výška Slunce 63°27’. Na sever a na jih od obratníku se úhel dopadu slunečních paprsků zmenšuje.

V den podzimní rovnodennosti (22. a 23. září) prochází Slunce zdánlivě podzimním bodem a začíná astronomický podzim. Úhel dopadu slunečních paprsků je ? = 90° – j, tj. sluneční paprsky dopadajíkolmo na rovník a pod stejnými úhly na rovnoběžky ležící symetricky na sever a jih od rovníku.   Z toho plyne, že na 50° s. š. je výška Slunce 40°. V den podzimní rovnodennosti přechází Slunce ze severní polokoule na jižní. d_S = 0°.

V den zimního slunovratu (21. a 22. prosince) dopadají sluneční paprsky kolmo na obratník Kozoroha, d_S = – 23 27’. Na severní polokouli začíná astronomická zima a na jižní astronomické léto. Sluneční paprsky dopadají na zemský povrch pod úhlem ? = 90 – (j + e). Z toho vyplývá, že na 50° s. š. je výška Slunce 16 33’. Na sever a na jih od obratníku se úhel dopadu slunečních paprsků zmenšuje.

V den jarní rovnodennosti (20. a 21. března) prochází Slunce zdánlivě jarním bodem a začíná astronomické jaro. Úhel dopadu slunečních paprsků je ? = 90° – j, tj. sluneční paprsky dopadají kolmo na rovník. V den jarní rovnodennosti přechází Slunce z jižní polokoule na severní. d_S = 0°.

Na severní polokouli je nejdelší astronomické léto a nejkratší astronomická zima.

Poznámky:  Zenitová vzdálenost Slunce z = 90° – a, přičemž a je analogie h (výška Slunce nad obzorem). Jestliže přičteme k z deklinaci Slunce d_S, dostaneme zeměpisnou šířku, na které se nacházíme. Například v den letního slunovratu je výška Slunce nad obzorem a = 90° – (50° – 23° 27’), tj. 63° 27’. Zenitová vzdálenost z = 90° – 63° 27’, tj. 26° 33’. Naše zeměpisná šířka je j = 26° 33’ + 23° 27’, tj. 50°.

Jednodušším způsobem lze vypočítat zenitovou vzdálenost Slunce pomocí j + 23° 27’ pro zimní slunovrat a j – 23° 27’ pro letní slunovrat. Výšku Slunce nad obzorem (resp. úhel dopadu slunečních paprsků) dostanu dosazením do rovnice z + h = 90°.

ZEMSKÁ ROTACE

Země se otáčí kolem své osy od západu k východu (proti směru pohybu hodinových ručiček), v témž směru, ve kterém obíhá kolem Slunce. Jedno otočení Země kolem osy (siderický den) trvá 23 h 56 min 4,1 s. Úhlová rychlost rotace je 360°/24 hodin = 15° h-1 = 15 arcmin. min-1 tedy tedy 15 “ . min-1.Obvodová rychlost Země se mění, na rovníku je 0,465 km * s^-1. Znásobím-li tuto rychlost cosj(příslušné zeměpisné šířky), dostanu obvodovou rychlost v bodě, který sleduji. Všeobecně lze říci, že hodnota obvodové rychlosti s rostoucí zeměpisnou šířkou klesá až k nule na pólech.

Zdánlivé stáčení roviny kyvu při efektu Foucaultova kyvadla je založeno na vlastnosti kyvadla zachovat si rovinu kyvu, nepůsobí-li na něj žádná jiná síla kromě tíhové. Z toho plyne, že se kyvadlo kývá v té samé rovině, ale Země se pod ním otáčí. Na pólu se rovina kyvu stáčí rychlostí 15° h^-1. Při zavěšení kyvadla v zeměpisné šírce j_A je úhlová rychlost stáčení roviny kyvu w = 15° sinj_A, přičemž tato rychlost stále klesá, až dosáhne na rovníku nuly.

Důkazy rotace Země:

• zploštění Země,
• střídání dne a noci,
• zdánlivý pohyb Slunce, hvězd a planet,
• převod na sluneční čas není všude stejný,
• slapové jevy (vyvolány gravitačním působením Slunce a Měsíce, kdy díky gravitačnímu působení na částice Země dochází v některých jejích částech k jejich zdvihu a v jiných k poklesu a úbytku; co se týče mořských slapů, v každém přístavu je jiný příliv a odliv),
• Foucaultovo kyvadlo,
• odchylka padajících těles (volně padající těleso se odchyluje k východu),
• Coriolisova síla (způsobuje, že pohybující se těleso se odchyluje na severní polokouli doprava a na jižní doleva; její příčinou je, že se ve směru od rovníku mění obvodová rychlost Země, ale rychlost tělesa v pohybu zůstává stejná).

Důsledky otáčení Země:

• existence pasátů (vanou východoseverovýchodním směrem na severní a východojihovýchodním směrem na jižní polokouli),
• stáčení mořských proudů,
• asymetrie říčních koryt, vymílání pravých břehů řek,
• větším opotřebením levé strany kolejnic,
• zploštění Země (odstředivá síla, která vzniká při rotaci Země, způsobila nahromadění hmoty v oblasti rovníku a tím zploštění Země na pólech)
• střídání dne a noci,
• slapové jevy,
• zdánlivé otáčení nebeské sféry.

DÉLKA DNŮ A NOCÍ NA ZEMI

V průběhu roku se mění délky zdánlivých drah Slunce nad a pod obzorem, a to v závislosti na zeměpisné šírce j a deklinaci Slunce d_S. S výjimkou rovníku a pólu jsou dni a noci jsou všude na Zemi stejně dlouhé pouze ve dvou dnech v roce, a to jarní a podzimní rovnodennosti. Na rovníku tato situace trvá během celého roku, neboť rovina obzoru dělí zdánlivé denní dráhy Slunce na stejné úseky. Mimo rovník a pól nastává nejdelší den na severní polokouli v den letního slunovratu. Ode dne letního slunovratu délka dne klesá a nejkratší je den zimního slunovratu. Od zimního slunovratu délka dne opět roste.

V oblastech za polárním kruhem v určité části roku bílý den vůbec nenastává, protože Slunce nevychází nad obzor. Tento jev zveme polární noc. Jejím opakem je polární den. Aby nastal polární den, Slunce nesmí zapadnout.

h_{S DK} > – 0° 51’  ,

když bereme 16’ jako střední poloměr slunečního kotouče a 35’ jako střední hodnotu refrakce při obzoru. Podle vztahu j = 90 – d +h_{S DK} (zjištění zeměpisné šířky měřením polohy hvězdy v dolní kulminaci) pak dostaneme

j – 90° + d_S > – 0° 51’ .

Geografická mez výskytu polárního dne severní polokoule je pak dána

j > 89° 09’ – d_S

Aby nastala polární noc, Slunce nesmí vyjít nad obzor.

h_{S HK} < – 0° 51’

Podle vztahu j = 90° – h_{S HK} + d_S (zjištění zeměpisné šířky měřením polední výšky Slunce) pak dostaneme

90° – j + d_S < – 0° 51’ .

Pro polární noc na severní polokouli obdržíme vztah

d_S < j – 90° 51’ .

Trvání nocí je ovšem fakticky zkracováno soumrakovými jevy. Potom je relativní trvání dne rovníku 50,5 % (na pólu 51,0 %), noci 40 % (na pólu 21,5 %) a soumraku 9,5 % (na pólu 27,5 %) délky roku.

MATEMATICKÉ KLIMATICKÉ PÁSY

Jsou vymezeny póly, polárními kruhy a obratníky.

• polární severní zóna – severní pól až severní polární kruh,
• mírná severní zóna – severní polární kruh až obratník Raka,
• tropický pás – obratník Raka až obratník Kozoroha,
• mírná jižní zóna – obratník Kozoroha až jižní polární kruh,
• polární jižní zóna – jižní polární kruh až jižní pól.

1.      Tropický pás leží mezi obratníky Raka a Kozoroha. Pro každý bod pásu je Slunce dvakrát v roce v zenitu, na obratnících jednou, přičemž polední výška Slunce kolísá mezi 43° (na obratníku Raka v den zimního slunovratu, resp. na obratníku Kozoroha v den letního slunovratu) a 90° (na obratníku Raka v letním slunovratu, na obratníku Kozoroha v zimním slunovratu).

2.      Mírné pásy severní a jižní polokoule jsou vymezeny obratníky a polárními kruhy příslušných polokoulí. Polední výška Slunce zde během roku kolísá od 0° (polární kruh) od 90° (obratník).

3.      Polární pásy severní a jižní polokoule zabírají kulové vrchlíky vymezené polárními kruhy obou polokoulí. Charakteristickým rysem je výskyt polárních dnů  a nocí s trváním od 1 dne za rok na polárních kruzích do půl roku na pólech.

Pro vlastní teplotní podmínky na Zemi je rozhodující úhel dopadu slunečních paprsků. Nejvíce zářivé energie dopadá na plochu, která je kolmá ke svazku slunečních paprsků. Celkovou intenzitu elektromagnetického záření Slunce, které dopadá na horní hranici zemské atmosféry na jednotkovou plochu kolmou k paprskům při střední vzdálenosti Země od Slunce zveme solární konstanta I_o. Velikost intenzity záření I_S se mění v průběhu roku v závislosti na okamžité vzdálenosti r_SZemě od Slunce.

I_S = I_o (r/r_S)²

Hodnota solární konstanty I_o = 1 353,732 W * m^-2. Při poloze Země v přísluní je intenzita záření asi o 3,44 % větší a při poloze v odsluní asi o 3,23 % menší než hodnota I_o. Z toho plyne, že v přísluní Země dostává asi o 6,7 % zářivé energie více než v odsluní, což vytváří astronomicky příznivější podmínky pro zimy a méně příznivé podmínky pro léta severní polokoule v porovnání s jižní.

Insolace I_h je intenzita dopadajícího slunečního záření na horizontální plochu. Hodnota insolace je závislá na zenitové vzdálenosti Slunce z_S.

I_h = I_S cosz_S  ,

přičemž zenitovou vzdálenost lze stanovit jako

cosz = sinj sind + cosj cosd cost ,

takže

I_h = I_o (r/r_S)² (sinj sind + cosj cosd cost).

Insolaci na horní hranici na zemské atmosféry zveme extraterestrální. Roční režim extraterestrální insolace zveme solární klima.

ROTACE KOLEM BARYCENTRA

Měsíc oběhne Zemi za 27 dní 7 dní 43 min. Tuto dobu zveme siderický měsíc. Střed oběhu Měsíce kolem Země neboli barycentrum se nachází 4 675 km od středu Země (tj. asi 1 700 km pod zemsksým povrchem) a je ovlivněno Sluncem a velkými planetami. Díky Slunci se poloha barycentra mění o 0 až 6 %. Poměr hmotnosti Měsíce a Země je 1 : 81,3, čehož je důsledkem poloha barycentra.

PRECESE

Vezmeme-li polohu osy zemské rotace a promítneme-li ji na rovník, dostaneme světové póly. Vzhledem k tomu, že Země má nerovnoměrné rozložení hmoty a nakloněnou osu, má tendenci ztotožnit rovinu rovníku s rovinou ekliptiky, resp. snaží se, aby její osa byla kolmá na rovinu ekliptiky. Z toho vyplývá, že světový pól obíhá vzhledem k obloze malou kružnici (resp. elipsu). Doba oběhu světového pólu je 13 000 let. Pohyb světového pólu zveme precesní pohyb. Precesní elipsa je lehce zvlněna nutací (malým vlnivým pohybem na křivce oběhu světového pólu). Nutace reaguje na tíhové efekty Slunce a ostatních těles a snahu Země narovnat se. Nutační křivka má tvar sinusoidy.