Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 17 – vyšlo 7. května, ročník 19 (2021)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Změny rotace Země

Petr Kulhánek

Rotace Země kolem osy není vůbec tak stabilním dějem, jak by se na první pohled mohlo zdát. Zemská osa mění svůj směr v prostoru vzhledem ke hvězdám, Slunci i Zemi a mění se i rotační perioda. V průměru se Země vzhledem ke Slunci otočí jednou za 24 hodin, což vedlo k definici středního slunečního dne. Vzhledem ke hvězdám je ale periodicita už jiná, jde o 23 hodin a 56 minut. Rozdíl je způsoben oběhem Země kolem Slunce v průběhu roku. Odvození času od rotace Země bylo historicky jedinou možností, protože rotace Země je zodpovědná za střídání dne a noci, které určovalo základní rytmus života našich předků. Při dnešní přesnosti určování času atomovými hodinami ale čas odvozený z rotace Země rozhodně neobstojí. Proto se do univerzálního koordinovaného času UTCUTC – Universal Time Coordinated, univerzální koordinovaný čas. Časová stupnice získaná průměrováním měření mnoha desítek cesiových atomových hodin pracujících v řadě metrologických laboratořích po celém světě. Od ní je odvozen občanský pásmový čas a také známé časové signály šířené rozhlasovým vysíláním. tu a tam vkládá přestupná sekunda. Jedině tak se čas měřený atomovými hodinami nerozchází od času daného rotací naší planety.

Rotace Země nasnímaná sondou Deep Space Climate Observatory (DSCOVR)
dne 29. května 2016. Zdroj: NASA/DSCOVR/EPIC.

Země – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.

Precese – obecně pohyb osy setrvačníku po kuželové ploše vlivem vnějších sil. V astronomii tak označujeme kuželový pohyb zemské osy s periodou 25 772 roků (tzv. Platonský rok) a úhlem mezi osou kužele a jeho povrchem 23,4°. Pohyb osy způsobují kombimované síly Slunce, Měsíce a planet. Díky tomuto pohybu byla Polárkou egyptské civilizace hvězda Thuban ze souhvězdí Draka.

Nutace – periodické kolísání zemské osy s nejvýraznější periodou 18,61 roků, které se kombinuje s precesním pohybem. Příčinou jsou periodické změny gravitačních účinků Měsíce na rotující zemský elipsoid. Tyto změny jsou natolik krátkodobé, že na rozdíl od precese neovlivňují zemské podnebí. Nutace byla objevena Bradleym v 18. století.

Precese, nutace a polární pohyb

Zemská rotační osa v současnosti míří přibližně ke hvězdě Polárce. Z dlouhodobého hlediska se pohybuje po ploše kužele s úhlem mezi povrchem a osou kužele 23,4°a periodou 25 772 roku (tzv. platónský rok). Před 3 200 lety mířila zemská osa k hvězdě Errai (? Cephei), před 5 000 lety ke hvězdě Thuban (? Draconis) a za 13 000 let bude mířit ke hvězdě Vega (? Lyrae). Pohyb zemské osy se nazývá precese a je způsoben dlouhodobým gravitačním vlivem Měsíce, Slunce a planet. V roce 127 př. n. l. ji objevil řecký učenec Hipparchos (cca 190 až 120 př. n. l.). Zemská osa koná ale celou řadu dalších periodických pohybů. Z krátkodobých period, které neovlivňují podnebí, je nejznámější tzv. nutace. Jde o kolísání směru zemské osy s periodou 18,6 roku a úhlem 9,2”. Nutace je způsobena především slapovými silamiSlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. Měsíce a Slunce. Objevil ji anglický astronom a kněz James Bradley při pozorování v letech 1727 až 1747. Třetím nejznámějším pohybem je tzv. polární pohyb, tj. pohyb zemské osy vzhledem k povrchu (ke kůře Země). Tento pohyb je způsoben především nesféričností zemského tělesa a skládá se z více periodických pohybů. Nejznámější je Chandlerova perioda, která činí 435 dní. Průsečík rotační osy s povrchem Země se přesouvá po křivce s průměrem cca 9 metrů. Periodu objevil americký astronom Seth Carlo Chandler v roce 1891. Existuje ale i řada dalších podobných periodických pohybů, byť s menšími amplitudami.

Precese a nutace zemské osy. Není ve stejném měřítku. Zdroj: Christopher Crockett.

Náhlé změny pohybu a periody

Perioda zemské rotace se pomalu a nepravidelně prodlužuje. Na vině je především výměna momentu hybnosti s Měsícem prostřednictvím slapových silSlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. . V průměru se jedná o 2,3 milisekundy za století. V posledních sto letech (do roku 2000) se perioda rotace Země prodloužila o 1,7 milisekundy. Takové změny jsou extrémně malé, ale při současné přesnosti měření času atomovými hodinami velmi dobře měřitelné. Tu a tam dojde i ke skokové změně periody, například při velkých zemětřeseních, která jsou doprovázena přesuny podpovrchových mas a následnou změnou momentu setrvačnosti. Příkladem může být zemětřesení z roku 2004 s epicentrem v Indickém oceánu, které změnilo moment setrvačnosti Země a zkrátilo periodu rotace o 3 mikrosekundy. Skupina vědců z Texaské univerzity vedená Jianlin Chenem zkoumala data z družice GRACEGRACE – Gravity Recovery and Climate Experiment. Dvojice družic NASA vypuštěných v roce 2002, které detailně měří gravitační pole Země. Družice byly vyvinuty Texaskou univerzitou za přispění německých odborníků. Přesnost měření tíhového zrychlení dosáhla 10⁻³ m/s². (Gravity Recovery and Climate Experiment) a detekovala změnu polárního driftu, za níž by mohlo být odpovědné hromadné tání ledovců, které započalo v 90. letech 20. století [1]. Změny uspořádání vodních mas vedou ke změně momentu setrvačnosti i k polárnímu driftu zemské rotační osy, který činil v období od roku 1995 do roku 2020 tři milimetry za rok, což je 17× více než v předchozích patnácti letech.

Změna v polárním driftu rotační osy v roce 2000. Na osách jsou úhlové pohyby
severním (χ₁) a východním (χ₂) směrem. Zdroj: [1].

K další velké změně došlo v roce 2020, kdy Země začala rotovat rychleji a její perioda se zkrátila o celou milisekundu! Při takové změně periody se za tisíc dní (otoček) nakumuluje časový rozdíl tisíc milisekund, tj. jedna celá sekunda. Za původce nečekaného zrychlení rotace Země se považuje jev nazývaný El Nino – opakující se vzrůst teploty (o několik °C) a srážek v Tichém oceánu v okolí Galapág. Jev není dosud do detailů pochopen a souvisí s interakcí atmosféry s mořskými proudy. Tání ledovců navrhované texaskou skupinou je ale také vysvětlením, které může být ve hře. Za normální situace dochází dlouhodobě ke zpomalování rotace Země, které se kompenzuje přidáním přestupné sekundy, a to několikrát za desetiletí. Nicméně vzhledem k poslednímu zrychlení rotace Země není vyloučeno, že poprvé v historii dojde k ubrání jedné přestupné sekundy, tj. přestupná sekunda by mohla být záporná. O tomto kroku se intenzivně jedná.

Odkazy