Обертання Землі навколо власної осі відбувається із заходу на схід і визначає зміну дня та ночі. Повний оберт відносно далеких зір триває 23 години 56 хвилин 4 секунди, тоді як середня сонячна доба становить 24 години. Лінійна швидкість на екваторі досягає приблизно 1674 км/год і поступово зменшується до нуля на полюсах.
Вісь обертання нахилена приблизно на 23,44° до площини орбіти, що створює сезонні зміни. Припливне тертя з боку Місяця поступово сповільнює обертання, подовжуючи добу на кілька мілісекунд на століття. Сучасні вимірювання фіксують короткочасні коливання швидкості через рухи в ядрі, атмосфері та перерозподіл маси, зокрема через танення льодовиків.
Ці процеси впливають на точний час, супутникову навігацію та кліматичні системи. Розуміння механізмів обертання дозволяє прогнозувати зміни довжини доби та коригувати системи синхронізації.
Основні параметри обертання навколо осі
Земля обертається навколо уявної осі, що проходить через географічні полюси. Напрям руху — із заходу на схід. Якщо дивитися з боку Північного полюса, обертання відбувається проти годинникової стрілки. Цей рух є основним добовим обертанням і відрізняється від орбітального руху навколо Сонця.
Кутова швидкість у інерційній системі відліку становить 7,292115 × 10−5 радіан за секунду. Це значення відповідає одному повному оберту відносно зір за зоряну добу. Лінійна швидкість залежить від відстані точки поверхні до осі. На екваторі, де радіус максимальний, швидкість найвища. Зі збільшенням широти радіус паралелі зменшується пропорційно косинусу широти, тому швидкість падає.
Форма Землі — сплюснутий еліпсоїд обертання. Екваторіальний радіус за стандартом WGS84 дорівнює 6378,137 км, полярний — приблизно 6356,752 км. Відцентрова сила, що виникає під час обертання, сприяла формуванню цього сплощення. Різниця радіусів становить близько 21 км.
Період обертання: сонячна та зоряна доба
Середня сонячна доба триває 86 400 секунд і вимірює час між двома послідовними верхніми кульмінаціями Сонця. Вона використовується в цивільному часі. Зоряна (сидерична) доба коротша і становить 86 164,09053083288 секунди середнього сонячного часу, або 23 години 56 хвилин 4,09053 секунди. Різниця виникає через те, що за час одного оберту навколо осі Земля зміщується по орбіті навколо Сонця приблизно на один градус.
Справжня сонячна доба коливається протягом року. Біля перигелію (початок січня) вона довша приблизно на 10 секунд, біля афелію — коротша. Біля сонцестоянь різниця може досягати 20–30 секунд. Ці варіації накопичуються в рівнянні часу, яке описує різницю між справжнім і середнім сонячним часом.
Зоряну добу застосовують в астрономії та геодезії для точних розрахунків. Міжнародна служба обертання Землі та систем відліку (IERS) регулярно публікує уточнені значення на основі спостережень за квазарами, супутниками GPS і лазерної локації.
Лінійна швидкість залежно від широти
На екваторі лінійна швидкість становить близько 465,1 м/с, або 1674 км/год. Це значення отримане шляхом ділення екваторіальної довжини кола (приблизно 40 075 км) на тривалість зоряної доби. Для інших широт швидкість обчислюється множенням екваторіальної швидкості на косинус широти.
| Широта | Косинус широти | Швидкість (км/год) | Приклад місця |
|---|---|---|---|
| 0° (екватор) | 1,000 | 1674 | Кіто, Сінгапур |
| 30° | 0,866 | 1451 | Каїр, Новий Орлеан |
| 45° | 0,707 | 1184 | Мілан, Міннеаполіс |
| 50° | 0,643 | 1076 | Київ, Прага |
| 60° | 0,500 | 837 | Осло, Анкоридж |
| 90° (полюс) | 0,000 | 0 | Північний і Південний полюси |
Дані таблиці базуються на стандартних значеннях екваторіального радіуса WGS84 і зоряної доби. На широті Києва (близько 50°) швидкість перевищує 1000 км/год. Ця різниця використовується при запуску ракет: стартові майданчики ближче до екватора отримують додатковий імпульс від обертання планети.
Вісь обертання, нахил і довготривалі рухи
Нахил осі до площини екліптики (облікватість) зараз становить близько 23,44°. Це значення повільно зменшується зі швидкістю приблизно 46,8 кутових секунд на століття. Коливання нахилу відбуваються в межах 22,1–24,5° з періодом близько 41 000 років і впливають на інтенсивність сезонних контрастів.
Прецесія осі — повільне конусоподібне обертання з періодом приблизно 25 772 роки. Воно викликане гравітаційним впливом Сонця і Місяця на екваторіальне потовщення Землі. Через прецесію точка весняного рівнодення зміщується по екліптиці, а Полярна зоря з часом перестане бути північною полярною зорею.
Нутація додає невеликі періодичні коливання з основним періодом 18,6 року (пов’язаним з прецесією вузлів місячної орбіти) і амплітудою близько 9,2 кутової секунди. Крім того, існує вільний рух полюсів (Чандлерів рух) з періодом близько 433 днів і амплітудою кілька метрів. Сучасні спостереження фіксують також зміщення осі через перерозподіл маси, зокрема відкачування підземних вод.
Фізичні наслідки обертання
Обертання створює зміну дня і ночі. Кожна точка поверхні (крім полюсів) послідовно освітлюється Сонцем і потрапляє в тінь. Це формує добові ритми температури, освітленості та біологічних процесів.
Відцентрова сила зменшує ефективну вагу тіл на екваторі приблизно на 0,3 % порівняно з полюсами. Вона також відповідальна за сплющену форму планети.
Сила Коріоліса діє на тіла, що рухаються відносно поверхні Землі. У Північній півкулі рухомі об’єкти відхиляються праворуч, у Південній — ліворуч. Ця сила визначає напрямок обертання великих атмосферних вихорів: циклони обертаються проти годинникової стрілки в Північній півкулі. Вона впливає на течії в океанах і підмивання берегів річок (закон Бера): у Північній півкулі праві береги руйнуються сильніше.
- Відхилення падаючих тіл на схід — класичний експериментальний доказ обертання.
- Маятник Фуко демонструє обертання Землі через поступове зміщення площини коливань.
- Траєкторії снарядів і ракет потребують корекції на силу Коріоліса для точного влучання.
Ці ефекти стають помітними на великих відстанях і часових масштабах. У повсякденному житті вони слабкі, але критично важливі для метеорології, океанографії та балістики.
Сповільнення обертання і зміни довжини доби
Припливне тертя між Землею і Місяцем передає момент імпульсу. Місяць поступово віддаляється зі швидкістю близько 3,8 см на рік, а обертання Землі сповільнюється. Історичні дані з давніх затемнень показують, що з VIII століття до н. е. довжина доби збільшувалася в середньому на 2,3 мілісекунди на століття. Сучасна оцінка припливного внеску близька до 1,7–2,3 мс/століття.
У далекому минулому доба була коротшою. Близько 600 мільйонів років тому вона тривала приблизно 21 годину. У пермському періоді (близько 290 млн років тому) рік містив близько 390 діб. Палеонтологічні дані з приростів коралів і молюсків підтверджують ці зміни.
Танення полярних льодовиків у XXI столітті додає масу до океанів і зміщує її ближче до екватора. Це збільшує момент інерції планети і додатково сповільнює обертання. Дослідження 2026 року в Journal of Geophysical Research: Solid Earth показали, що кліматичний внесок у подовження доби зараз становить близько 1,33 мс на століття — один із найвищих показників за останні 3,6 мільйона років.
Сучасні коливання швидкості обертання
Починаючи з 2020 року Земля демонструвала період відносно швидкого обертання. Деякі дні були коротшими за 86 400 секунд на 1–1,6 мілісекунди. Найкоротший день сучасної епохи атомних годинників зафіксовано 10 липня 2025 року (приблизно −1,37 мс). У 2026 році найкоротший день очікувався 26 липня з відхиленням близько −0,65 мс.
Ці короткочасні прискорення пов’язані з обміном моментом імпульсу між твердою Землею, рідким зовнішнім ядром, атмосферою та океанами. Атмосферний кутовий момент має сезонний цикл: найшвидше обертання часто припадає на літо Північної півкулі. Декадні коливання з періодом близько 6 років пов’язують із динамікою ядра.
Для підтримання синхронізації UTC з обертанням Землі іноді вводять високосні секунди. Останню позитивну високосну секунду додавали 2016–2017 року. Період швидкого обертання породив дискусії про можливість негативної високосної секунди, хоча станом на 2026 рік її ще не вводили.
Практичне значення для технологій і життя
Точне знання параметрів обертання необхідне для глобальних навігаційних систем. GPS, Galileo та інші супутникові системи враховують довжину доби, положення полюсів і прецесію. Помилка в кілька мілісекунд може призвести до значних похибок позиціонування.
Астрономічні спостереження, міжпланетна навігація і синхронізація фінансових мереж також залежать від даних IERS. Зміни довжини доби впливають на моделі клімату через ефект Коріоліса, який формує глобальну циркуляцію атмосфери та океанів.
Біологічні системи адаптувалися до 24-годинного циклу. Циркадні ритми більшості організмів синхронізовані з чергуванням світла і темряви. Повільне подовження доби на геологічних масштабах супроводжувалося еволюційними змінами, але на масштабах людського життя залишається непомітним.
Моніторинг обертання Землі триває безперервно за допомогою мережі радіотелескопів, лазерних далекомірів і супутникових систем. Дані оновлюються щодня і дозволяють прогнозувати короткочасні варіації з точністю до часток мілісекунди. Ця інформація залишається одним із найважливіших інструментів сучасної геодезії та астрономії.