Planetární Geografie II. – Země a její Pohyby, Magnetické pole

Tento výukový materiál je součástí Učebnice zeměpisu v sekci Fyzický zeměpis -> Planetární geografie. V rámci tohoto tématu článek navazuje na 1. díl – Planetární geografie I. – Vesmír, Sluneční soustava, Galaxie. Po tomto díle následuje Planetární Geografie III. – Měsíc a jeho pohyby, Zatmění Slunce a Měsíce

Tvar a rozměry Země

Země má ve skutečnosti nepravidelný tvar. Skutečný tvar Země se blíží kouli, která je na pólech zploštělá. Z fyzikálního hlediska vystihuje nejlépe tvar Země geoid. Geoid je teoretické těleso, které je omezené střední klidnou hladinou oceánů a moří, která pomyslně probíhá i pod kontinenty. Jinak řečeno, geoid je fyzikální model. Toto modelové těleso je omezeno plochou se stejnou úrovní tíhového potenciálu.

Geometrické těleso, které se nejvíce blíží skutečnému tvaru Země, se nazývá rotační elipsoid. Toto těleso se používá pro přesné výpočty (například pro vojenské účely nebo pro navigaci).

• rovníkový poloměr Země: 6378 km („Šetři se, osle…“), rovníkový průměr 12756 km.
• referenční koule: koule, která se svým poloměrem nejvíce přibližuje rotačnímu elipsoidu. Používá se ke zjednodušeným výpočtům. Poloměr referenční koule je 6371 km (je to vlastně „průměrný poloměr“ Země).
• povrch Země: 510 milionů km². Z toho oceán pokrývá 361 mil. km² a souš 149 mil. km².
• obvod rovníku: přibližně 40000 km. Délka rovníku je přibližně 40075 km. Podle Wikipedie asi 79% obvodu rovníku prochází oceánem a 21 % souší. Poledníkový obvod Země (přes póly) je 40008 km.
• střední vzdálenost Země od Slunce (= astronomická jednotka, AU): 149.6 milionu km
• poledníkový (polární) poloměr Země: 6357 km, poledníkový průměr 12714 km.
• Zploštění Země je tedy 1:298, čili naprosto zanedbatelné.

Magnetické pole Země

Země má poměrně silné magnetické pole a chová se jako tyčový magnet. Soudí se, že je to způsobeno tím, že vnitřní jádro Země je pevné a vnější jádro kapalné. Obě jádra obsahují hlavně železo a nikl. Tím, že se tekuté vnější jádro pohybuje vůči pevnému vnitřnímu jádru, vzniká (podobně jako u dynama) magnetické pole.

Osa tohoto „tyčového magnetu“ však není totožná s osou zemské rotace. Zeměpisné póly se proto nekryjí s magnetickými! Magnetická osa Země se navíc oproti ose zemské rotace stáčí, v důsledku čehož se magnetické póly neustále pohybují.

Čas od času se oba póly „náhle“ prohodí a změní polaritu. Důkazem jsou zmagnetizované plošky v různých horninách, hlavně v čedičích. V čediči se totiž po jeho utuhnutí již nemění směr zmagnetizovaných ploch.

• severní magnetický pól: leží v kanadské Arktidě. V současnosti se pohybuje k severu, směrem k Rusku.
• jižní magnetický pól: leží poblíž pobřeží Antarktidy.

Pohyb severní magnetického pólu se v posledních letech výrazně zrychlil, rychlost pohybu je řádově desítky kilometrů ročně. Magnetická osa neprochází středem Země; jižní magnetický pól leží od jižního zeměpisného pólu mnohem dále než severní magnetický pól od severního zeměpisného pólu.

Magnetická deklinace: úhlový rozdíl mezi směrem k severnímu zeměpisnému a k severnímu magnetickému pólu. V České republice dělá v současnosti tento rozdíl asi 2.5°, v některých místech však může rozdíl činit několik desítek stupňů. Magnetická deklinace se navíc pořád mění, neboť magnetické póly se pohybují. Střelka kompasu ukazuje k magnetickému, nikoliv k zeměpisnému severu!

Magnetické pole Země je pro nás životně důležité. Odpuzuje totiž elektricky nabité částice slunečního větru (protony, elektrony, alfa částice). Bez ochranného magnetického pole by nebyl život na Zemi možný. Jen některé částice slunečního větru proniknou až do ionosféry v polárních oblastech. Zde se střetnou s atomy dusíku a kyslíku, čímž vznikne polární záře.

Pohyby Země

Země jako vesmírné těleso vykonává několik pohybů:

Zemská rotace

Země se otočí okolo své osy přesně o 360° za 23 hodin, 56 minut a 4 vteřiny. Toto je tzv. hvězdný den. Země rotuje proti směru hodinových ručiček.

V praxi ale používáme střední sluneční den. Je to doba mezi dvěma následujícími vrcholeními Slunce na místním poledníku. Střední sluneční den trvá přesně 24 hodin. Země se během něj otočí přibližně o 361°. Za jeden den se totiž Slunce na obloze posune o necelý 1 stupeň, čili o ten se musí Země dotočit, aby Slunce opět vrcholilo na stejném poledníku.

Osa zemské rotace svírá s rovinou oběžné dráhy Země kolem Slunce úhel 66.5°a směřuje přibližně k Polárce (α Umi). Rychlost zemské rotace na rovníku je 465 m/s (1674 km/h).

Oběh Země kolem Slunce

Země oběhne kolem Slunce o 360° přibližně za 365 a ¼ dne. Tato doba se nazývá rok.

Přesněji: tropický rok trvá 365 dnů, 5 hodin, 48 minut a 45 vteřin. Tropický rok je definován jako doba mezi dvěma následujícími průchody Slunce jarním bodem. Ve skutečnosti neurazí Země kolem Slunce za tropický rok přesně 360°, ale zhruba o 50´´ méně. Země obíhá kolem Slunce proti směru hodinových ručiček průměrnou rychlostí přibližně 30 km/s (v odsluní pomaleji, v přísluní naopak rychleji, jelikož 2. Keplerův zákon říká, že plochy, opsané pruvodičem za časovou jednotku, jsou konstantní). Tropický rok je zhruba o 20 minut kratší než hvězdný rok, během něhož opíše Země úhel přesně 360°. Rozdíl je způsoben precesí zemské osy, která způsobí, že se jarní bod posune každý rok právě o oněch 50´´. Pro nás je mnohem důležitější tropický rok, neboť během něj se vystřídají všechna roční období a podle něj určujeme kalendář.

Země obíhá kolem Slunce po mírně eliptické dráze. Střední vzdálenost Země od Slunce je 149.6 milionu kilometrů (astronomická jednotka, AU).

• perihelium (přísluní) – bod, kdy je Země nejblíže Slunci. Vzdálenost Země od Slunce je 147.1 mil. km. Země je k Slunci nejblíže v lednu.
• afelium (odsluní) – bod, kdy je Země nejdále od Slunce. Vzdálenost Země od Slunce je 152.1 mil. km. Země je od Slunce nejdále v červenci.

Doba perihelia a afelia tedy nemá nic společného se slunovraty!

Oběh Země a Měsíce okolo společného těžiště (barycentra)

Těžiště soustavy Země – Měsíc je asi 1700 kilometrů pod zemským povrchem.

Více → viz hydrosféra!

Precese zemské osy

Zemská osa nesměřuje stále k Polárce, nýbrž opisuje plášť dvojkužele. Precese zemské osy je způsobena přitažlivostí Měsíce a Slunce. Zemská osa tak na obloze opíše kružnici. Perioda tohoto pohybu, tzv. Platonský rok, je dlouhá přibližně 26000 let.Platonský rok přesněji trvá přibližně 25725 let. Vliv gravitační síly Měsíce na precesi je asi 60%, vliv gravitační síly Slunce jen 40%.

Nutace

Zemská osa se stáčí vlivem precese, avšak ani její sklon k rovině rovníku není konstantní, nýbrž se vychyluje v rozmezí 21.9°- 24.3° od kolmice (v současnosti je to přesně 23°26´). Nutace je způsobena gravitačním působením Slunce, Měsíce a dalších planet sluneční soustavy. Zemská osa tedy neopisuje na obloze kruh (tak by tomu bylo v případě, že by působila pouze precese), nýbrž vlnovku.

Obrázek – precese a nutace

Důsledky pohybů Země

Zemská rotace

Zemská rotace způsobuje střídání dne a noci. Jelikož se Země otáčí směrem od západu na východ, vychází Slunce na východě.

Astronomové dále rozlišují astronomický den (den v užším slova smyslu, od východu do západu Slunce) a astronomickou noc (od západu do východu Slunce). Rozhodující pro čas východu a západu Slunce je střed slunečního kotouče. Světlo je ovšem déle, protože je zde soumrak (svítání), kdy je Slunce již pod obzorem (ještě pod obzorem), ale dosud (už) je světlo. Délka soumraku a svítání je závislá na zeměpisné šířce. Na rovníku je fáze soumraku a svítání nejkratší.

Astronomové rozlišují několik druhů soumraku. Občanský soumrak trvá, pokud je Slunce maximálně 6° pod obzorem. Neklesne-li Slunce celou noc hlouběji než 6° pod obzor, nastává tzv. bílá noc. Nautický soumrak trvá, pokud je Slunce 6-12° pod obzorem, astronomický soumrak, pokud je Slunce 12-18° pod obzorem. U nás Slunce kolem letního slunovratu neklesne celou noc hlouběji než 18° pod obzor a úplná tma tudíž nenastane (astronomický soumrak a svítání splynou v jedno).

• Časová pásma

Pravé poledne nastává, když Slunce vrcholí na místním poledníku. Pravé poledne ukazují pouze sluneční hodiny. Na každém poledníku je tedy jiný místní čas. V praxi však používáme pásmový čas. Ten ukazují naše hodinky. Pásmový čas se řídí podle standardního poledníku. Zeměpisná délka těchto poledníků je obvykle dělitelná 15.

Tak například náš středoevropský čas (SEČ) se řídí podle 15. poledníku (ten prochází Jindřichovým Hradcem). SEČ platí od Španělska (!) po Polsko a Norsko. V létě se u nás v praxi používá středoevropský letní čas (SELČ = SEČ + 1 hodina).

Světový čas se řídí podle 0. poledníku, který prochází hvězdárnou Greenwich na okraji Londýna. Světový čas (anglicky Greenwich Mean Time, GMT) používají astronomové.

Celkem tedy máme 24 časových pásem. V praxi ovšem hranice časových pásem kopírují hranice států nebo administrativních útvarů. Ve velkých státech, které jsou protažené podél rovnoběžky, je obvykle více časových pásem (Rusko má 11 časových pásem, Kanada a USA 6, Indonésie a Austrálie 3, avšak Čína jen 1!). V rámci jednotlivých časových pásem navíc existují různé místní odchylky  Jedeme-li tedy na východ, pak přibližně platí, že každých 15° přičteme jednu hodinu. A naopak, pokud jedeme na západ, musíme každých dalších 15° zeměpisné délky hodinu ubrat.

• Datová hranice

Též datová mez, datová čára (anglicky date line). Vede přibližně po 180. poledníku, ovšem ne úplně přesně, protože je vedena tak, aby nepůlila žádný stát – mít v jednom státě dvě různá data by bylo dosti nepraktické. Na odlišných stranách datové hranice jsou odlišná data!

Překračujeme-li datovou hranici směrem z východní polokoule na západní (z Ruska do USA, z Čukotky na Aljašku), musíme jeden den odečíst (a přičíst jednu hodinu, protože se dostaneme do dalšího časového pásma).

A naopak, překračujeme-li datovou hranici směrem ze západní polokoule na východní (z Aljašky na Čukotku), musíme jeden den přičíst (a odečíst jednu hodinu, protože jsme se posunuli směrem na západ do dalšího časového pásma).

Z toho také mj. vyplývá, že pokud překročím datovou hranici z USA do Ruska v 00:30 aljašského času, nezmění se mi datum, protože na Čukotce bude teprve 23:30 stejného dne (+ 1 den, -1 hodina, přičítám tedy 23 hodin). Jen mezi 00:00 a 01:00 aljašského času bude tedy na obou stranách datové hranice stejné datum, během následujících 23 hodin pak bude datum na obou stranách hranice vždy rozdílné.

• Coriolisova síla

Coriolisova síla je rovněž důsledkem zemské rotace. Působí na toky řek a větrné a oceánské proudy, probíhající zhruba v poledníkovém směru. Tyto proudy stáčí na severní polokouli vpravo a na jižní polokouli vlevo od původního směru pohybu.

Důsledky působení Coriolisovy síly: na severní polokouli jsou vyrytá více pravá koryta řek. Nejlépe je však působení Coriolisovy síly patrné na planetární cirkulaci atmosféry a stáčení oceánských proudů – viz atmosféra a hydrosféra.

Obrázek – Coriolisova síla

Původní (předpokládaný) směr pohybu je znázorněn přerušovaně, skutečný směr pohybu, ovlivněný Coriolisovou silou, je znázorněn plnou čarou.

Oběh Země kolem Slunce

Roční období

Vznik ročních období je důsledkem oběhu Země kolem Slunce a stálého sklonu zemské osy. Vzdálenost Země od Slunce se vznikem ročních období nesouvisí! Zemské osa totiž zachovává stálý sklon 66.5° vůči rovině rovníku. V létě je tedy ke Slunci více přikloněna severní polokoule, v zimě jižní polokoule. V důsledku sklonu zemské osy se mění maximální výška Slunce nad obzorem během roku.

Kdyby byla zemská osa kolmá k rovině rovníku, roční období by neexistovala. V praxi se 4 roční období projevují především v mírném pásu. Na jižní polokouli jsou roční období obráceně!

Ekliptika je zdánlivá dráha Slunce na nebeské sféře během roku. Ekliptika protíná rovník ve dvou bodech – jarním a podzimním. Za rok projde Slunce všemi 12 zvířetníkovými souhvězdími (vystřídá 12 slunečních „znamení“). Zvířetník = zvěrokruh + zodiac.

• Jarní rovnodennost – 20. březen

Na rovníku vrcholí Slunce v pravé poledne v nadhlavníku (v zenitu). Obě polokoule jsou osvětleny stejně, žádná z nich není přivrácena k Slunci. Den a noc trvá všude na Zemi 12 hodin.

Jarní rovnodennost nastává 20. (častěji) nebo 21.3., vzácně může nastat i 19.3. Slunce vychází přesně na východě a zapadá přesně na západě. Na severním pólu ten den vyjde Slunce a nastává polární den, na jižním pólu Slunce zapadne a nastává polární noc.

• Letní slunovrat – 21. červen

Na obratníku Raka (23.5°N) vrcholí Slunce v pravé poledne v nadhlavníku (v zenitu). Na severním polárním kruhu (66.5°N) Slunce tento den nezapadne (polární den), na jižním polárním kruhu (66.5°S) tento den Slunce nevyjde (polární noc). Na severní polokouli je tento den nejdelší v roce (u nás trvá 21. června den přibližně 16 hodin a noc 8 hodin).

Přesnější souřadnice: polární kruhy 66°34´, obratníky 23°26´. Letní slunovrat nastává 20. či 21.6. (častěji), vzácně může nastat i 19.6. nebo 22.6.

• Podzimní rovnodennost – 23. září

Stejná situace jako o jarní rovnodennosti: Na rovníku vrcholí Slunce v pravé poledne v nadhlavníku (v zenitu). Obě polokoule jsou osvětleny stejně, žádná z nich není přivrácena k Slunci. Den a noc trvá všude na Zemi 12 hodin.

Podzimní rovnodennost nastává 22. nebo 23. 9. (oba dva dny zhruba stejně často), vzácně i 21. nebo 24. 9. Slunce vychází přesně na východě a zapadá přesně na západě. Na severním pólu ten den zajde Slunce a nastává polární noc, na jižním pólu Slunce vyjde a nastává polární den.

• Zimní slunovrat – 21. prosinec

Na obratníku Kozoroha (23.5°S) vrcholí Slunce v pravé poledne v nadhlavníku (v zenitu). Na severním polárním kruhu (66.5°N) Slunce tento den nevyjde (polární noc), na jižním polárním kruhu (66.5°S) tento den Slunce nezapadne (polární den). Na severní polokouli je tento den nejkratší v roce (u nás trvá 21. prosince den přibližně 8 hodin a noc 16 hodin).

Zimní slunovrat nastává obvykle 21. (častěji) nebo 22.12., vzácně i 20. nebo 23.12.

Tabulky rovnodennosti a slunovratů pro konkrétní roky (data + přesné časy): http://www.beda.cz/~jirkaj/seasons/seasons.pdf

Uvedená data rovnodennosti a slunovratů zároveň udávají astronomický počátek příslušného ročního období. 20.3. tedy začíná astronomické jaro, 21.6. astronomické léto, 23.9. astronomický podzim a 21.12. astronomická zima.

Meteorologické začátky uvedených období však začínají jindy! Meteorologické jaro začíná 1.3., meteorologické léto 1.6., meteorologický podzim 1.9. a meteorologická zima 1.12. Proto se březen-květen obvykle považují za jarní měsíce, červen-srpen za letní měsíce atd. Meteorologické začátky ročních období jsou tedy oproti astronomickým začátkům ročních období zhruba o 3 týdny posunuty.

Obratníky a polární kruhy rovněž přibližně vymezují teplotní pásy (též matematické klimatické pásy), které jsou důsledkem nestejnoměrného množství slunečních paprsků, dopadajících na Zemi v různých zeměpisných šířkách. Mezi obratníky tedy leží tropický pás (anglicky „tropic“ = obratník), mezi polárními kruhy a obratníky leží mírný pás, a mezi polárními kruhy a póly leží polární pás.

Na pólech trvá polární den a polární noc půl roku – Slunce půl roku nevyjde nad obzor nebo naopak neklesne pod obzor.

Kalendář

Juliánský kalendář zavedl Gaius Iulius Caesar. Podle tohoto kalendáře je každý 4. rok přestupný a trvá 366 dnů, normální rok trvá 365 dnů.

Juliánský kalendář vstoupil v platnost roku 46 př.n.l. Gaius Iulius Caesar byl totiž mj. nejvyšším knězem (pontifex maximus). Caesarovi tento systém doporučili alexandrijští astronomové, on ho však prosadil z moci úřední v celé římské říši. Zavedení kalendáře provázelo mnoho zmatků. Po Caesarovi byl pojmenován měsíc červenec. K drobným změnám došlo za císaře Augusta, po němž byl pojmenován měsíc srpen. Tento měsíc „musel“ ovšem mít také 31 dnů, aby se císař neurazil, a tak byly dodatečně upraveny dny i u dalších měsíců. Římský rok původně začínal 1. března; proto november byl původně 9. měsíc, december 10. měsíc atd. Za Caesara však již rok začínal 1. lednem, názvy měsíců ovšem již zůstaly.

Juliánský kalendář by fungoval bezvadně, pokud by byl tropický rok dlouhý přesně 365 a ¼ dne. Jenže tropický rok je o něco kratší (365 dnů, 5 hodin, 48 minut a 45 vteřin). Způsobovalo to mj. posun Velikonoc a dalších církevních svátků během roku, což katolická církev nelibě nesla. V 16. století již činil rozdíl mezi juliánským kalendářem a skutečností 10 dnů. Proto papež Řehoř XIII. (i on měl titul pontifex maximus jako Caesar!) roku 1582 prosadil reformu juliánského kalendáře, který se podle něj jmenuje gregoriánský kalendář. 10 přebytečných dnů bylo vyškrtnuto z kalendáře a dále byly zavedeny následující úpravy:

Nadále je přestupný každý rok, dělitelný 4 (přibude 29. únor). Výjimkou jsou roky, dělitelné 100. Ty nejsou přestupné, pokud jsou dělitelné 100, s výjimkou těch, které jsou zároveň dělitelné 400, ty naopak přestupné zůstávají.

Čili: roky 1700, 1800 a 1900 přestupné nejsou (dělitelné 100, avšak nedělitelné 400), avšak rok 2000 byl přestupný (dělitelný 400). Roky 2100, 2200 a 2300 však dělitelné nebudou.

Gregoriánský kalendář byl nejdříve zaveden v katolických, později i v dalších zemích. Data zavedení: Itálie, Španělsko, Portugalsko a Polsko ihned 1582, Čechy, Morava a Slezsko 1584, Slovensko (a Uhry) 1587, Německo – katolické země 1583-1584, ale Německo – protestantské země až 1700!, Velká Británie 1752, Japonsko 1873, Čína 1912, Rusko 1918, Řecko 1923. V současnosti gregoriánský kalendář jako občanský kalendář používají všechny země světa kromě Saúdské Arábie (islámský kalendář), Etiopie (etiopský kalendář), Íránu a Afghánistánu (perský kalendář). Juliánský kalendář dodnes používá pravoslavná církev, která podle něj světí křesťanské svátky. Proto slaví pravoslavní křesťané Vánoce 6. ledna (rozdíl mezi gregoriánským a juliánským kalendářem činí v současnosti 13 dnů).

Juliánský kalendář se „zmýlí“ oproti skutečnosti o 1 den jednou za 127 let, gregoriánský kalendář se zmýlí o 1 den jednou za 3300 let.

Oběh Země a Měsíce okolo společného těžiště (barycentra)

Rotace Země kolem barycentra způsobuje mj. příliv a odliv.

Více → viz hydrosféra!

Precese zemské osy

Precese zemské osy způsobuje, že:

1. zemská osa nesměřuje pořád k Polárce. Za 12000 let bude „Polárkou“ (tj. hvězdou nejblíže nebeskému severnímu pólu) Vega v souhvězdí Lyry. Proto také ve starověku neurčovali námořníci sever podle Polárky.
2. díky precesi se jarní bod posouvá každý rok o 50´´.

Jarní bod se neposouvá vůči datu, nýbrž vůči hvězdám. Jarní bod je jeden z průsečíků ekliptiky se světovým rovníkem. Do jarního bodu vstupuje Slunce v okamžiku jarní rovnodennosti. Druhý průsečík ekliptiky se světovým rovníkem je podzimní bod.

Nutace

Nutace (změna sklonu zemské osy vůči rovině rovníku) možná způsobuje střídání dob ledových a meziledových.

Datum poslední aktualizace: 3.10.2013