حرکت انتقالی زمین: سفری به دور خورشید
مدار بیضوی و ویژگی‌های آن
بر خلاف تصور رایج، مدار زمین به دور خورشید یک دایره‌ی کامل نیست، بلکه یک بیضی است. خورشید در یکی از کانون‌های این بیضی قرار دارد. این شکل خاص باعث می‌شود فاصله‌ی زمین تا خورشید در طول سال ثابت نباشد.
برای مثال، نقطه‌ای که زمین در نزدیک‌ترین فاصله از خورشید قرار دارد حضیض خورشیدی۴ نامیده می‌شود و حدوداً در 4 ژانویه رخ می‌دهد. در مقابل، نقطه‌ای که زمین در دورترین فاصله از خورشید است اوج خورشیدی۵ نام دارد و حدوداً در 4 ژوئیه اتفاق می‌افتد. جالب است بدانید که تغییر این فاصله علت اصلی ایجاد فصل‌ها نیست؛ انحراف محور زمین عامل اصلی آن است.
| نقطه‌ی مداری | تاریخ تقریبی | فاصله از خورشید (کیلومتر) | سرعت مداری (km/s) |
|---|---|---|---|
| حضیض خورشیدی (نزدیک‌ترین) | 4 ژانویه | 147,100,000 | 30.29 |
| اوج خورشیدی (دورترین) | 4 ژوئیه | 152,100,000 | 29.29 |
چگونه حرکت انتقالی، سال و فصل‌ها را می‌سازد؟
یک بار گردش کامل زمین به دور خورشید، معادل یک سال خورشیدی است که دقیقاً 365 روز و 6 ساعت طول می‌کشد. این 6 ساعت اضافی، دلیل وجود سال کبیسه هر چهار سال یکبار است.
اما مهم‌ترین تأثیر حرکت انتقالی، ایجاد فصل‌ها است. اگر محور زمین کاملاً عمود بر صفحه‌ی مداری بود، هیچ‌گاه فصل‌ها تغییر نمی‌کردند. اما محور زمین حدود 23.5 درجه نسبت به این صفحه انحراف دارد. این انحراف ثابت می‌ماند و در طول گردش زمین به دور خورشید، باعث می‌شود زاویه‌ی تابش خورشید به نیمکره‌های شمالی و جنوبی تغییر کند.
برای درک بهتر، یک فانوس را در مرکز یک میز فرض کنید که نمایانگر خورشید است. یک پرتقال (زمین) را در دست گرفته و به دور فانوس بچرخید، اما پرتقال را کمی کج نگه دارید. خواهید دید که در نقاط مختلف مدار، نور فانوس به قسمت‌های مختلفی از پرتقال می‌تابد. وقتی نور به صورت مایل به یک نیمکره بتابد، انرژی در سطح بزرگ‌تری پخش شده و آن نیمکره زمستان را تجربه می‌کند. در مقابل، وقتی نور عمودتر بتابد، انرژی متمرکزتر شده و تابستان آغاز می‌شود.
محاسبه‌های ساده و سرعت مداری
می‌توانیم سرعت متوسط زمین در مدارش به دور خورشید را با یک محاسبه‌ی ساده تخمین بزنیم. اگر محیط مدار زمین را تقریباً یک دایره با شعاع 150 میلیون کیلومتر در نظر بگیریم، داریم:
$ محیط \approx 2 \pi r \approx 2 \times 3.14 \times 150,000,000 \approx 942,000,000 $ کیلومتر
زمان یک سال نیز 365.25 \times 24 \times 60 \times 60 = 31,557,600 ثانیه است. پس سرعت متوسط برابر است با:
$ سرعت = \frac{مسافت}{زمان} = \frac{942,000,000}{31,557,600} \approx 30 $ کیلومتر بر ثانیه
این یعنی زمین و همه‌ی ما سوار بر آن، با سرعت باورنکردنی 30 کیلومتر در هر ثانیه در فضا در حال سفر هستیم! این سرعت حدود 100,000 کیلومتر در ساعت است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، این یک اشتباه بسیار رایج است. همان‌طور که در جدول بالا دیدید، زمین در نیمکره‌ی شمالی در تابستان، در واقع در دورترین فاصله از خورشید (اوج خورشیدی) قرار دارد. عامل اصلی گرمایش، زاویه‌ی تابش خورشید و طول روز است که به دلیل انحراف محور زمین رخ می‌دهد.
اگر مدار زمین دایره‌ای کامل بود، فاصله‌ی آن از خورشید همیشه ثابت می‌ماند. در این صورت، قانون دوم کپلر دیگر معنایی نداشت و سرعت مداری زمین نیز ثابت بود. با این حال، باز هم به دلیل انحراف محور زمین، فصل‌ها وجود داشتند. تنها تفاوت عمده این بود که شدت فصل‌ها ممکن بود کمی یکنواخت‌تر باشد، زیرا تغییرات جزئی در دریافت انرژی خورشید ناشی از تغییر فاصله حذف می‌شد.
مدت زمان واقعی یک دور کامل حرکت انتقالی زمین 365 روز و 6 ساعت است. تقویم معمولی ما فقط 365 روز دارد. این 6 ساعت اضافی هر سال، پس از چهار سال جمع شده و به یک روز کامل ( 6 \times 4 = 24 ساعت) تبدیل می‌شود. این روز اضافه به صورت 29 اسفند به تقویم افزوده می‌شود تا هماهنگی بین تقویم و موقعیت واقعی زمین در مدارش حفظ شود.
حرکت انتقالی زمین، حرکتی پیچیده و دقیق است که زندگی ما را مستقیماً تحت تأثیر قرار می‌دهد. این حرکت نه تنها تعریف‌کننده‌ی "سال" است، بلکه در ترکیب با انحراف محور زمین، پدیده‌ی زیبا و حیاتی "فصل‌ها" را به وجود می‌آورد. درک این مفاهیم پایه، پنجره‌ای به درک بهتر ما از موقعیت خود در کیهان می‌گشاید.
پاورقی
۱ حرکت انتقالی (Earth's Revolution): به گردش یک جرم آسمانی به دور جرمی بزرگ‌تر گفته می‌شود.
۲ مدار بیضوی (Elliptical Orbit): مسیری بیضی‌شکل که یک جرم آسمانی حول جرم دیگر طی می‌کند.
۳ قانون‌های کپلر (Kepler's Laws): سه قانون فیزیکی که حرکت سیارات به دور خورشید را توصیف می‌کنند.
۴ حضیض خورشیدی (Perihelion): نقطه‌ای در مدار که سیاره در نزدیک‌ترین فاصله از خورشید قرار دارد.
۵ اوج خورشیدی (Aphelion): نقطه‌ای در مدار که سیاره در دورترین فاصله از خورشید قرار دارد.