วงโคจรและการหมุนรอบตัวเอง

วงโคจรและการหมุนรอบตัวเอง

การหมุน

ความเอียงของแกนโลกสัมพันธ์กับแกนการหมุนและระนาบวงโคจร

คาบการหมุนรอบตัวเองของโลกสัมพัทธ์กับดวงอาทิตย์หรือวันสุริยะนั้นเท่ากับ 86,400 วินาที จากเวลาสุริยะกลาง (86,400.0025 วินาที เอสไอ) เพราะวันสุริยะของโลกในปัจจุบันยาวกว่าวันในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 เล็กน้อยอันเนื่องมาจากผลการเร่งจากแรงไทด์ ในแต่ะละวันจึงยาวขึ้นผันแปรไประหว่าง 0 ถึง 2 มิลลิวินาที เอสไอ

คาบการหมุนรอบตัวเองของโลกสัมพัทธ์กับดาวฤกษ์ไม่เคลื่อนที่เรียกว่าวันดาราคติโดยหน่วยงานการหมุนรอบตัวเองของโลกและระบบอ้างอิงสากล (IERS: International Earth Rotation and Reference Systems Service) คือ 86,164.098903691 วินาที จากเวลาสุริยะกลาง (ยูที (เวลาสากล) 1) หรือ 23^ช 56^น 4.098903691คาบการหมุนรอบตัวเองของโลกสัมพัทธ์กับการหมุนควงหรือการเคลื่อนที่เฉลี่ยของวสันตวิษุวัตมักเรียกว่าวันดาวฤกษ์ คือ 86,164.09053083288 วินาที จากเวลาสุริยะกลาง (ยูที1) หรือ (23^ช 56^น 4.09053083288^ว) ณ ปี 1982 (พ.ศ. ๒๕๒๕) ดังนั้นเองวันดาวฤกษ์จึงสั้นกว่าวันดาราคติประมาณ 8.4 มิลลิวินาที

ความยาวของเวลาสุริยะกลางในหน่วยวินาทีเอสไอสามารถนำมาใช้อ้างอิงได้จากหน่วยงานไออีอาร์เอสสำหรับช่วงเวลาจากปี 1623-2005 (พ.ศ. ๒๑๖๖-๒๕๔๘) และปี 1962-2005 (พ.ศ. ๒๕๐๕-๒๕๔๘)

ต่างจากดาวตกในบรรยากาศและดาวเทียมวงโคจรต่ำต่าง ๆ วัตถุเทหฟ้าโดยมากมีการเคลื่อนที่ปรากฏไปทางด้านตะวันตกของท้องฟ้าของโลกในอัตรา 15 องศาต่อชั่วโมง หรือ 15 ลิปดาต่อนาที สำหรับวัตถุที่อยู่ใกล้กับเส้นศูนย์สูตรฟ้าจะเคลื่อนไปเทียบเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางปรากฏของดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์ในทุก ๆ สองนาที เมื่อมองจากพื้นโลกขนาดปรากฏโดยประมาณของดวงอาทิตย์และดวงจันทร์นั้นถือว่าเท่ากัน

วงโคจร

โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยระยะห่างเฉลี่ยประมาณ 150 ล้านกิโลเมตรในทุก ๆ 365.2564 วันสุริยะกลาง หรือหนึ่งปีดาวฤกษ์ ส่งผลให้การเคลื่อนที่ปรากฏของดวงอาทิตย์คล้อยไปทางตะวันออกเทียบกับดาวฤกษ์ฉากหลังในอัตราราวหนึ่งองศาต่อวัน หรือเทียบเท่าขนาดปรากฏของดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์ในทุก ๆ 12 ชั่วโมง การเคลื่อนไปเช่นนี้ใช้เวลาเฉลี่ยราว 24 ชั่วโมงหรือหนึ่งวันสุริยะสำหรับการหมุนรอบตัวเองตามแกนครบหนึ่งรอบของโลกซึ่งดวงอาทิตย์กลับสู่เมอริเดียนอีกครั้ง ความเร็วของโลกในวงโคจรโดยเฉลี่ยประมาณ 29.8 กิโลเมตรต่อวินาที (107,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) ซึ่งเร็วมากพอที่จะเคลื่อนผ่านระยะทางเท่ากันกับเส้นผ่านศูนย์กลางของโลกที่ประมาณ 12,742 กิโลเมตรในเจ็ดนาที และผ่านระยะทางถึงดวงจันทร์ที่ประมาณ 384,000 กิโลเมตร ในเวลาราว 3.5 ชั่วโมง

โลกและดวงจันทร์โคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลร่วมในทุก ๆ 27.32 วัน สัมพัทธ์กับดาวฤกษ์พื้นหลัง เมื่อประกอบกันเข้ากับระบบโลก-ดวงจันทร์ โคจรไปรอบดวงอาทิตย์ เกิดเป็นคาบของเดือนจันทรคตินับจากอมาวสีหนึ่งไปอีกอมาวสีหนึ่งราว 29.53 วัน เมื่อมองจากขั้วเหนือท้องฟ้า การเคลื่อนที่ของโลก ดวงจันทร์ และการหมุนรอบแกนดาวของทั้งคู่ล้วนเป็นไปในทิศทวนเข็มนาฬิกา เมื่อมองจากจุดสูงเหนือขั้วเหนือของทั้งดวงอาทิตย์และโลก วงโคจรของโลกจะมีทิศทางทวนเข็มนาฬิการอบดวงอาทิตย์ วงโคจรและระนาบการหมุนนั้นไม่ได้วางตัวอยู่ในระนาบเดียวกันโดยแกนหมุนของโลกมีการเอียงประมาณ 23.4 องศาจากแนวตั้งฉากกับระนาบการโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ (หรือสุริยวิถี) และระนาบการโคจรของดวงจันทร์รอบโลกมีการเอียง ±5.1 องศา เทียบกับระนาบโลก-ดวงอาทิตย์ หากปราศจากการเอียงเช่นนี้อุปราคาจะเกิดขึ้นในทุก ๆ สองสัปดาห์สลับกันไประหว่างจันทรุปราคาและสุริยุปราคา

ทรงกลมฮิลล์หรือทรงกลมอิทธิพลโน้มถ่วงของโลกมีรัศมีประมาณ 1.5 พันล้านเมตร หรือ 1,500,000 กิโลเมตรเป็นระยะทางสูงสุดที่แรงโน้มถ่วงของโลกมีอิทธิพลเหนือกว่าดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์อื่น ๆ ที่อยู่ห่างออกไป วัตถุใด ๆ จะต้องโคจรรอบโลกภายในรัศมีนี้หรือไม่ก็หลุดลอยออกไปโดยการรบกวนเชิงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์

โลกรวมทั้งระบบสุริยะทั้งหมดนั้นตั้งอยู่ในดาราจักรทางช้างเผือก และโคจรด้วยระยะห่างประมาณ 28,000 ปีแสงจากศูนย์กลางดาราจักร อยู่ในแขนเกลียวนายพรานเหนือกว่าระนาบดาราจักรประมาณ 20 ปีแสง

การเอียงของแกนโลกและฤดูกาล

ภาพแสดงการเอียงของแกนโลกสัมพันธ์กับช่วงการเกิดฤดูหนาวในซีกโลกเหนือและฤดูร้อนในซีกโลกใต้ (ขนาดและระยะทางไม่ได้เป็นไปตามสัดส่วนจริง)

เนื่องมาจากการเอียงของแกนโลก ปริมาณของแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบจุดใด ๆ บนพื้นผิวจึงผันแปรไปตามแต่ละช่วงของปี ก่อให้เกิดการเปลี่ยนฤดูกาลในแต่ละภูมิอากาศโดยฤดูร้อนในซีกโลกเหนือจะเกิดขึ้นเมื่อขั้วเหนือชี้เข้าหาดวงอาทิตย์ และฤดูหนาวจะเกิดขึ้นแทนที่เมื่อขั้วได้ชี้ออกไป ในระหว่างฤดูร้อนช่วงกลางวันจะมีความยาวนานกว่าและดวงอาทิตย์จะมีตำแหน่งสูงขึ้นบนท้องฟ้า ส่วนในฤดูหนาวภูมิอากาศจะหนาวเย็นลงโดยทั่วไปและช่วงกลางวันจะสั้นลง ในละติจูดเขตอบอุ่นทางเหนือดวงอาทิตย์จะขึ้นเหนือกว่าทิศตะวันออกจริงระหว่างครีษมายันและลับฟ้าเหนือกว่าทิศตะวันตกจริง (การณ์จะกลับกันในฤดูหนาว) ในช่วงหน้าร้อนของเขตอบอุ่นในซีกโลกใต้ดวงอาทิตย์จะขึ้นใต้กว่าทิศตะวันออกจริงและลับฟ้าไปใต้กว่าทิศตะวันตกจริง

เหนือกว่าอาร์กติกเซอร์เคิลขึ้นไปจะมีกรณีสุดขั้วชนิดที่ตลอดช่วงหนึ่งของปีจะไม่มีแสงอาทิตย์ส่องถึงเลย ยาวนานได้ถึงหกเดือนเต็มที่บริเวณขั้วโลกเหนือเอง เรียกว่ากลางคืนขั้วโลก ส่วนในซีกโลกใต้สถานการณ์จะกลับตรงกันข้ามโดยการที่ขั้วโลกใต้วางตัวในแนวตรงข้ามกับขั้วโลกเหนือ อีกหกเดือนให้หลังขั้วโลกเหนือก็จะประสบกับอาทิตย์เที่ยงคืนคือเป็นกลางวันตลอด 24 ชั่วโมง และสถานการณ์ด้านขั้วโลกใต้ก็จะกลับกัน

โดยอนุสัญญาทางดาราศาสตร์ ฤดูกาลทั้งสี่นั้นกำหนดขอบเขตโดยอายันซึ่งเป็นจุดในวงโคจรที่แกนโลกเอียงเข้าหาหรือออกจากดวงอาทิตย์มากที่สุด และวิษุวัตซึ่งเป็นจุดที่ทิศทางการเอียงของแกนกับทิศทางสู่ดวงอาทิตย์ตั้งฉากกัน สำหรับซีกโลกเหนือเหมายันจะเกิดขึ้นประมาณวันที่ 21 ธันวาคม ครีษมายันเกิดขึ้นใกล้กับวันที่ 21 มิถุนายน วสันตวิษุวัตเกิดขึ้นราววันที่ 20 มีนาคม และศารทวิษุวัตจะประมาณวันที่ 23 กันยายน สำหรับซีกโลกใต้สถานการณ์จะกลับกันโดยวันที่เกิดครีษมายันกับเหมายันและวสันตวิษุวัตกับศารทวิษุวัตจะสลับกัน

ภาพจากยานอวกาศแคสซีนีของนาซาแสดงภาพโลกและดวงจันทร์(ทางด้านขวาล่าง)จากดาวเสาร์ (19 กรกฎาคม 2013)

มุมการเอียงของแกนโลกถือว่ามีความเสถียรโดยอนุโลมตลอดคาบระยะเวลายาวนาน ความเอียงของแกนยังมีการส่ายซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ขึ้นลงเล็กน้อยอย่างไม่สม่ำเสมอด้วยคาบการเกิดหลักราว 18.6 ปี ทิศทางการวางตัวของแกนโลกนอกเหนือจากมุมเอียงแล้วยังมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาในลักษณะการหมุนควงโดยครบรอบวัฏจักรในทุก ๆ เวลาประมาณ 25,800 ปี ลักษณะการหมุนควงนี้เป็นสาเหตุที่ทำให้มีความแตกต่างกันระหว่างปีดาวฤกษ์กับปีฤดูกาลและทำให้ตำแหน่งดาวเหนือเคลื่อนที่ การเคลื่อนทั้งสองรูปแบบดังกล่าวเกิดขึ้นโดยความดึงดูดที่ผันแปรไปของดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ที่กระทำต่อส่วนโป่งบริเวณศูนย์สูตรของโลก ขั้วโลกทั้งคู่ยังมีการเคลื่อนตำแหน่งได้หลายเมตรไปมาตามพื้นผิวโลก การเคลื่อนของขั้วนี้ประกอบกันขึ้นจากวัฏจักรที่หลากหลายซึ่งเรียกรวม ๆ กันว่าการเคลื่อนกึ่งคาบ ตัวอย่างการเคลื่อนลักษณะนี้ซึ่งเกิดเป็นประจำด้วยวัฏจักรประมาณ 14 เดือนก็คือการส่ายแชนด์เลอร์ อัตราเร็วในการหมุนรอบตัวเองของโลกยังผันแปรไปตามปรากฏการณ์ต่าง ๆ รู้จักกันในชื่อการผันแปรความยาวของวัน

ในสมัยปัจจุบัน จุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดของโลกเกิดขึ้นประมาณวันที่ 3 มกราคม และจุดไกลดวงอาทิตย์ที่สุดเกิดขึ้นประมาณวันที่ 4 กรกฎาคม วันเวลาที่เกิดขึ้นจะมีการเปลี่ยนแปลงไปตลอดอันเนื่องมาจากการหมุนควงและปัจจัยอื่นทางวงโคจร ซึ่งเป็นไปตามแบบแผนที่เกิดซ้ำเป็นรอบ ๆ รู้จักกันในชื่อวัฏจักรมิลานโควิตช์ การเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ทำให้พลังงานจากดวงอาทิตย์มาถึงโลกเพิ่มขึ้น ณ จุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดเทียบกับจุดไกลดวงอาทิตย์ที่สุดประมาณร้อยละ 6.9 เพราะซีกโลกใต้มีการเอียงเข้าหาดวงอาทิตย์ในเวลาใกล้เคียงกันกับตำแหน่งที่โลกเดินทางเข้ามาใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด ซีกโลกใต้จึงได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์มากกว่าที่ซีกโลกเหนือได้รับเล็กน้อยตลอดช่วงเวลาของปี ผลที่เป็นอยู่นี้มีนัยสำคัญน้อยกว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานอันเนื่องมาจากความเอียงของแกนอยู่มาก และส่วนใหญ่ของพลังงานส่วนเกินที่ได้รับมาจะถูกดูดซับไปโดยน้ำอันเป็นพื้นที่ส่วนใหญ่ของซีกโลกใต้ 

ตัวอย่างวงโคจรและการหมุนของโลก