Ruch obrotowy naszej planety obserwujemy na co dzień jako następujące po sobie dzień i noc oraz pozorną wędrówkę Słońca i innych gwiazd na naszym niebie. Już starożytni Grecy stwierdzili, że Ziemia nie jest nieruchoma, lecz zarówno obraca się wokół własnej osi, jak i krąży wokół Słońca.
Na podstawie obserwacji ruchu wirowego Ziemi ludzie opracowali rachubę czasu. Przyjęto wówczas, że doba to czas potrzebny Ziemi na pełen obrót, mierzony jako odstęp czasowy między kolejnymi górowaniami Słońca na niebie. Tak wyznaczoną dobę nazwano dobą słoneczną.
Prędkość wirowania Ziemi nie jest stała
Nasza planeta wykonuje pełen obrót wokół własnej osi w czasie około 24 godzin. Nie wszyscy zdają sobie jednak sprawę, że w rzeczywistości ruch obrotowy Ziemi nie jest jednostajny. Ziemia raz przyspiesza, a raz zwalnia w swoim ruchu. Zatem doba słoneczna nie jest zawsze tej samej długości. Oczywiście będąc na powierzchni Ziemi nie odczuwamy tych nieregularności, ponieważ są to zmiany nieprzekraczające kilku milisekund.
Przyczyn tych fluktuacji w prędkości wirowania Ziemi jest kilka. Są to m.in.:
- oddziaływanie grawitacyjne innych ciał niebieskich,
- sezonowa cyrkulacja wiatrów,
- prądy morskie,
- zmiany rozkładu wód na powierzchni kontynentów,
- procesy zachodzące we wnętrzu Ziemi.
Szacuje się, że w wyniku samego oddziaływania grawitacyjnego Słońca i Księżyca, które powodują pływy morskie, Ziemia bardzo powoli hamuje. Z tego powodu długość doby wydłuża się o 2 milisekundy na każde sto lat.
Jak i po co monitorujemy ruch obrotowy Ziemi
Do połowy XX wieku uważano, że Ziemia wiruje ze stałą prędkością, a doba słoneczna była podstawą rachuby czasu. Sama sekunda w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar SI do lat 60. XX wieku była zdefiniowana jako 1/86400 część doby.
Dopiero wykorzystanie zegarów wahadłowych, a następnie kwarcowych i atomowych uzmysłowiło nam, że ruch wirowy Ziemi nie jest jednostajny. Okazało się bowiem, że doba wyznaczona na podstawie obserwacji górowania Słońca na niebie i doba określona za pomocą precyzyjnych zegarów nie były sobie równe. Obecnie definicja sekundy w układzie SI jest związana z drganiami w atomach cezu.
Choć zaburzeń w prędkości wirowania Ziemi nie odczuwamy na co dzień, takie nieregularności mają istotne znaczenie w precyzyjnym pozycjonowaniu i nawigacji. Dotyczy to zarówno powierzchni Ziemi, jak i przestrzeni kosmicznej. Określanie tej prędkości jest kluczowe między innymi w planowaniu startów rakiet i sond kosmicznych.
Zmiany prędkości wirowania Ziemi są nieustannie monitorowane i udostępniane międzynarodowemu środowisku naukowemu przez Międzynarodową Służbę Ruchu Obrotowego Ziemi i Systemów Odniesienia (ang. International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS). Rzeczywista długość doby, związana z prędkością obrotu Ziemi, jest określana przez naukowców na podstawie precyzyjnych pomiarów momentów, w których określone ciała niebieskie, uznawane za nieruchome, mijają dane miejsce na niebie. Analizą zaburzeń prędkości wirowania Ziemi oraz poszukiwaniem przyczyn tego zjawiska zajmują się między innymi naukowcy z Centrum Badań Kosmicznych PAN.
Dlaczego co pewien czas zegary atomowe stają na sekundę?
Ponieważ Ziemia powoli, lecz nieustannie zwalnia w swoim ruchu obrotowym, naukowcy wprowadzili tzw. sekundę przestępną. Co jakiś czas jest ona uwzględniana w celu synchronizacji doby słonecznej z dobą określaną na podstawie wyznaczeń precyzyjnych zegarów atomowych.
Decyzję, kiedy należy dodać taką sekundę podejmuje IERS na podstawie obserwacji prędkości wirowania Ziemi. Sekunda przestępna nie jest wprowadzana regularnie, lecz w zależności od potrzeb. Chodzi o to, aby w żadnym momencie różnica między czasem średnim słonecznym (wyznaczanym na podstawie obserwacji górowania słońca) a uniwersalnym czasem koordynowanym (określanym na podstawie wyznaczeń zegarów atomowych, będących aktualnie podstawą rachuby czasu na świecie) nie była większa niż 1 sekunda.
Ostatnia, 27. sekunda przestępna, została uwzględniona w dniu 31 grudnia 2016. Wszystkie dotychczas wprowadzone sekundy przestępne były dodatnie. To znaczy, że zostały dodane do naszych zegarów w celu umożliwienia Ziemi „nadrobienia” opóźnienia. W tym celu wszystkie zegary zostały wówczas na sekundę zatrzymane.
Ostatnio Ziemia przyspieszyła obrót wokół własnej osi
Naukowcy badający ruch obrotowy naszej planety zaobserwowali, że w ciągu ostatnich kilku lat Ziemia przyspieszyła swój obrót wokół własnej osi. Przyczyny tego zjawiska nie są do końca znane, jednak badacze uważają, że głównym czynnikiem przyspieszającym ruch wirowy Ziemi jest ocieplanie się klimatu.
Zjawisko to powoduje topnienie pokrywy lodowej w okolicach okołobiegunowych i w efekcie podnoszenie się poziomu mórz. Woda z topniejących lodowców przemieszcza się bliżej osi obrotu Ziemi, co powoduje zwiększenie prędkości jej wirowania.
Naukowcy odnotowali, że rok 2021 był najkrótszy od kilku dekad. 19 lipca Ziemia zakończyła swój obrót o niemal 1,5 milisekundy szybciej od 86400 sekund, co stanowiło dotychczasowy rekord. Ze względu na przyspieszenie ruchu wirowego Ziemi, kiedy podczas tegorocznego Sylwestra nasze zegary wybiją godzinę dwunastą w nocy, w rzeczywistości będzie już kilkadziesiąt milisekund po północy.
Oznacza to, że Nowy Rok przywitamy z opóźnieniem. Eksperci przewidują, że jeśli w przyszłości Ziemia nadal będzie przyspieszać w swoim ruchu obrotowym, konieczne będzie uwzględnianie nie dodatniej, lecz ujemnej sekundy przestępnej. Ostateczną decyzję w tej sprawie podejmie IERS.