Hrvatski

Planet Zemlja kao zvrk, astronomska teorija klime

Priredio: dr.sc. Dragan Roša


PLANET ZEMLJA KAO ZVRK

Kada bi naš planet imao oblik kugle jednolike gustoće, ili gustoće čija bi vrijednost ovisila samo o udaljenosti od središta Zemlje, pri razmatranju gravitacijskih utjecaja svemirskih tijela, Zemlju bismo mogli smatrati materijalnom točkom smještenom u njenom središtu. Zapravo ovakva približnost redovito je prisutna u proučavanju dinamike planetnog sustava. Međutim, Zemlja je spljoštena, tako da je možemo smatrati rotacijskim elipsoidom, kojemu je os vrtnje priklonjena prema ekliptici za kut od oko 66,50. Ekvatorska “ispupčenja”, iscrtkano naznačena na slici 1.29, predstavljaju svojevrsnu “dodatnu” masu, što ima za posljedicu i različito gravitacijsko djelovanje nekog nebeskog tijela na Zemlju. Na ispupčenje bliže nebeskom tijelu, gravitacijska sila je veća, a na udaljenije ispupčenje je manja. Gledajući iz sustava tijela, rezultat je par sila suprotnog smjera čije komponente F1 i F2, nastoje “uspraviti” os Zemljine rotacije. Ipak, to se ne događa, već os rotacije Zemlje zadržava stalnu nagnutost opisujući stožac oko ekliptičke osi. U fizici je ova pojava poznata kao precesija zvrka. Ponašanje Zemlje uslijed gravitacijskog utjecaja Mjeseca i Sunca potpuno je analogno precesiji zarotiranog zvrka (sl.1.30), sve dok se zvrk vrti konstantnom brzinom. Period Zemljine precesije iznosi 25 800 godina, za koje vrijeme sjeverni nebeski pol jednom obiđe oko sjevernog pola ekliptike, a ekvinocijske točke opišu kut od 3600, gibajući se u suprotnom smjeru od prividnog godišnjeg gibanja Sunca (tzv. precesija ekvinocija). Ova pojava razlogom je što tropska godina traje kraće od zvjezdane (razlika je oko 20 minuta). Precesiju ekvinocija otkrio je još Hiparh, na temelju posljedica ove pojave (najuočljivija posljedica je gibanje sjevernog nebeskog pola među zvijezdama, koje se može uočiti tek usporedbom crteža neba napravljenih u duljem vremenskom razmaku). Najveći utjecaj na precesijsko gibanje Zemlje imaju Mjesec i Sunce, dok je planetna precesija gotovo zanemariva (oko 105 puta je slabija od Mjesečeve i Sunčeve). Uz to, posebnost Mjesečeva gibanja (položaj njegove staze u prostoru) uvjetuje da sjeverni nebeski pol ne opisuje kružnu već blagu valovitu liniju, s periodom od oko 18 godina. Pojava se naziva nutacija i otkrio ju je J. Bradley u 18. stoljeću, neposredno nakon što je otkrio aberaciju.

Slično kao što Mjesec i Sunce uzrokuju precesiju i nutaciju Zemljine osi vrtnje, tako i Zemlja i Sunce svojim gravitacijskim djelovanjem dovode do složenijeg Mjesečevog gibanja. Oblik Mjeseca je nesimetrični troosni elipsoid, s vrijednostima poluosi:

a = 1 738 km + 437 m

b = 1 738 km + 252 m

c = 1 738 km + ­ 570 m

Najveća je poluos gotovo uvijek usmjerena prema Zemljinom središtu. Svaki otklon osi iz tog smjera, Zemlja svojim gravitacijskim poljem nastoji vratiti u početni položaj. Dakle, sinkrona rotacija posljedica je Mjesečeva oblika i uzajamnog gravitacijskog djelovanja Zemlje i Mjeseca. Točka u kojoj Mjesečeva os rotacije siječe nebesku sferu, giba se uslijed Mjesečeve precesije po kružnici polumjera 1,50 i to s periodom od 18,6 godina (što je povezano s ranije spomenutom regresijom čvorova). Pored toga os oscilira, slično kao i Zemljina, uslijed pojave nutacije, što ima za posljedicu nastajanje fizičke libracije.

Sl. 1.29 Precesija Zemlje

Sl.1.30 Precesija zvrka

Astronomska teorija klime

Kada bi naš planet imao oblik kugle homogene gustoće (ili gustoće koja ovisi samo u udaljenosti od središta Zemlje), kada bi bio jedini Sunčev pratilac, kada ne bi imao svoj satelit i kada bi bili ispunjeni još neki uvjeti, njegova vrtnja bila bi jednolika, a gibanje oko Sunca nepromijenjeno i onakvo kakvim ga opisuju Keplerovi zakoni. Međutim, kao što vidimo, dinamika sustava Sunce­ Zemlja­ Mjesec veoma je složena, a na Zemljino gibanje utječu i drugi planeti Sunčeva sustava. Premda se, uslijed toga, Zemljina osnovna gibanja gotovo neprimjetno mijenjaju, ove promjene mogu imati značajan učinak u duljim vremenskim periodima. Tako npr. planetna precesija dovodi do dugoperiodičnih promjena ekscentriciteta Zemljine staze i nagiba Zemljine osi na ravninu ekliptike, što zasigurno utječe na klimu našeg planeta. Stoga su promjene elemenata Zemljine staze oko Sunca zanimljive u klimatološkim, paleontološkim ili geološkim istraživanjima. Tako npr. astronomska teorija klime nalazi objašnjenje klimatoloških promjena na našem planetu (npr. postanak ledenih doba) upravo u promjenama u Zemljinoj stazi i precesiji Zemlje. Naime, količina energije što je Zemlja prima od Sunca ovisi kako o Zemljinoj udaljenosti od Sunca tako i o orijentaciji Zemljine osi vrtnje. Iz promjena ovih veličina moguće je izračunati i promjene u količini energije što se događaju u pojedinim mjestima na Zemljinoj površini.

Računi se dobro podudaraju s eksperimentalnim podacima o promjeni temperature našeg planeta i geološkim nalazima o napredovanju ledenjaka. Podaci o promjenama temperature na našem planetu u ovako dugom periodu, izvedeni su iz činjenice da odnos količine izotopa kisika O16 i O18 u talozima CaC03 na oceanskom dnu ovisi o temperaturi vode u razdoblju taloženja. Mjerenjem odnosa O18/O16 na različitim dubinama ispod oceanskog dna, možemo ustanoviti promjenu temperature oceana. Time je potvrđeno da promjene srednje temperature Zemlje od svega nekoliko stupnjeva, uvjetovane astronomskim razlozima, značajno mijenjaju globalnu klimu našeg planeta. Pored toga što se astronomska teorija klime pokazala uspješnom, ne smijemo zaboraviti da su klimatske promjene na našem planetu veoma složene i pod utjecajem mnogih drugih čimbenika, npr. promjenjivosti Sunčeva zračenja, fizičkog i kemijskog stanje atmosfere, eventualnih sudara Zemlje s malim tijelima Sunčeva sustava i sl. Astronomski utjecaji, koje smo spomenuli, povezani su sa složenošću Zemljina gibanja i ukazuju nam da naši svemirski susjedi, ma koliko daleko bili, ipak posredno utječu na život na Zemlji. Pri tome ne mislimo na utjecaj na pojedinca (kako to tumače astrolozi), već na posredne promjene u živom svijetu u tijeku dugih geoloških razdoblja.