Artykuł Geografia.indd

dr Waldemar Spallek
Uniwersytet Wrocławski
Instytut Geografii i Rozwoju Regionalnego
Zakład Geoinformatyki i Kartografii
Wędrujące zwrotniki
W celu precyzyjnego określenia położenia punktów na kulistej powierzchni Ziemi już w starożytności wymyślony został układ współrzędnych
geograficznych wyznaczanych przez południki
i równoleżniki.
Południki są liniami na powierzchni Ziemi
przechodzącymi przez te miejsca, nad którymi
Słońce góruje na niebie o tej samej porze
dnia, a więc w tym samym momencie jest na nich
południe. Żaden z południków niczym szczególnym się nie wyróżnia, dlatego za początek układu, od którego należy liczyć długość geograficzną,
przyjmowano w historii południki przechodzące
przez różne charakterystyczne punkty. Dopiero
13 października 1884 r. na międzynarodowej konferencji w Waszyngtonie przedstawiciele
25 państw przyjęli za ogólnie obowiązujący południk początkowy ten, który przechodzi przez
obserwatorium w Greenwich w Londynie.
Niemniej jednak jeszcze na początku XX w.
w niektórych krajach obowiązywały inne południki początkowe: we Francji przechodzący
przez Paryż, w Niemczech i Austro-Węgrzech
– przez wyspę Hierro w archipelagu Wysp
Kanaryjskich, a w Rosji – przez Pułkowo pod
Sankt Petersburgiem.
Równoleżniki są z kolei okręgami przechodzącymi przez punkty na powierzchni Ziemi, nad
którymi Słońce góruje na tej samej wysokości nad horyzontem. Wszystkie równoleżniki
układają się parami, symetrycznie względem najdłuższego z nich – równika, od którego mierzona jest szerokość geograficzna. Płaszczyzny kół
wyznaczanych przez równoleżniki są prostopadłe
do osi obrotu Ziemi. Kilka spośród równoleżników jest charakterystycznych: wspomniany już
równik dzielący Ziemię na dwie półkule, bieguny – najkrótsze z równoleżników, gdyż stanowią
punkty, przez które przechodzi oś obrotu Ziemi –
i wreszcie zwrotniki oraz koła podbiegunowe. Wartości liczbowe szerokości geograficznej
wszystkich równoleżników wynikają z proporcjonalnego podziału kąta prostego zawartego
między płaszczyzną równika a osią obrotu Ziemi
na 90°. Zależność między wysokością górowania
Słońca (h) a szerokością geograficzną (ϕ) ma postać:
h = 90° – ϕ. Jest ona prawdziwa tylko dwa dni
w roku – podczas równonocy wiosennej i równonocy jesiennej. W pozostałe dni należy uwzględnić
poprawkę i dodać (latem) lub odjąć (zimą) szerokość geograficzną równoleżnika, nad którym
w danym dniu Słońce znajduje się w zenicie.
Szerokość geograficzna zwrotników (Z)
jest równa kątowi nachylenia osi ziemskiej
względem kierunku prostopadłego do ekliptyki.
Ryc. 1. Oświetlenie Ziemi podczas przesilenia letniego.
1
Wędrujące zwrotniki
Zmienność kąta padania promieni słonecznych na powierzchnię naszej planety
wynika z nachylenia osi ziemskiej względem
ekliptyki, czyli płaszczyzny wyznaczonej
przez orbitę Ziemi, oraz ruchu obiegowego
Ziemi wokół Słońca. W czasie tego ruchu błękitna planeta przekracza cztery charakterystyczne punkty, w których Słońce osiąga ekstremalne
pozycje na niebie na określonych szerokościach
geograficznych. Równoleżniki znajdujące się na
tych szerokościach to właśnie zwrotniki i koła podbiegunowe. Można zatem stwierdzić, że zwrotniki i koła podbiegunowe zostały wyznaczone jako specyficzne równoleżniki, na
których kąt padania promieni słonecznych
na powierzchnię Ziemi podczas górowania
przyjmuje ekstremalne wartości w określonych dniach roku. Zwrotniki leżą na tej szerokości geograficznej, na której Słońce świeci w zenicie w dniu przesilenia letniego (zwrotnik Raka)
lub zimowego (zwrotnik Koziorożca). Z kolei koła
podbiegunowe leżą na takiej szerokości geograficznej, na której Słońce podczas górowania znajduje
się na horyzoncie (kąt padania promieni słonecznych wynosi 0°) podczas przesilenia letniego (koło
podbiegunowe południowe) lub zimowego (koło
podbiegunowe północne), a na wyższych szerokościach w ogóle nie wschodzi.
W związku z powyższym nasuwa się pytanie:
na jakiej szerokości geograficznej znajdują się zwrotniki i koła podbiegunowe?
Z ryciny 1. wynika, że szerokość geograficzna
zwrotników (Z) jest równa kątowi nachylenia
osi ziemskiej względem kierunku prostopadłego do ekliptyki. Kąt ten zmienia się w czasie, dlatego zwrotniki nie zajmują stałego
położenia na Ziemi. Zmiana kąta ma charakter wahadłowy, co oznacza, że oś ziemska
odchyla się w zakresie 2,4°, przyjmując
wartości od 22,1° do 24,5° i z powrotem. Pełny
cykl zmian zachodzi w ciągu ok. 41 000 lat.
W dniu 18 kwietnia 2013 r. zwrotnik Raka znajdował się na 23°26'15'' szerokości geograficznej
północnej, a zwrotnik Koziorożca – na 23°26'15''
szerokości geograficznej południowej. W 1917 r.
zwrotniki znajdowały się na szerokości 23°27'00''.
Przyczyną takich wahań osi ziemskiej jest
oddziaływanie grawitacyjne innych ciał
Układu Słonecznego, przede wszystkim
Słońca i Księżyca, które stale zmieniają swoje
położenie względem Ziemi. Powodują one również krótkookresowe, niewielkie drgania osi
obrotu naszej planety zwane nutacją. W wyniku
nutacji oś ziemska odchyla się maksymalnie o kąt
0°0'9,21'', a pełny okres tego odchylenia i powrotu do poprzedniego kąta nachylenia osi wynosi
6798 dni, czyli 18,6 roku.
Jaka jest natomiast szerokość geograficzna kół
podbiegunowych? Aby ją wyznaczyć, można skorzystać z przytoczonego wcześniej równania, opisującego zależność między wysokością górowania
Słońca a szerokością geograficzną z uwzględnieniem poprawki na szerokość geograficzną równoleżnika, nad którym w danym dniu Słońce
znajduje się w zenicie. Skoro w czasie przesilenia
zimowego na kole podbiegunowym północnym
Słońce góruje na wysokości 0°, to wówczas relacja
ta ma postać: 0° = 90° – ϕ – Z, a po przekształceniu: ϕ = 90° – Z. Wynika stąd, że szerokość geograficzna kół podbiegunowych wynosi 66°33'45''
(należy pamiętać, że leżą one symetrycznie po
obu stronach równika). W związku z tym, że
wartość ta jest zależna od szerokości geograficznej zwrotników, która zmienia się w czasie, również szerokość geograficzna kół podbiegunowych podlega zmianie w czasie.
Thinkstock/Ingram Publishing
BE&W/Alamy/Buzz Pictures
Tablice wskazujące punkty, przez które
przebiegają zwrotniki i koła podbiegunowe, często umieszczane są przy drogach
i szlakach turystycznych. Lokalizacja tych
tablic powinna się zmieniać wraz ze zmianą
szerokości geograficznej tych równoleżników.
2