Kosmografie/Bewegingen van de aarde en de maan

De rotatie van de aarde rond haar eigen as

Schijnbeweging en echte beweging

Door een camera naar de Poolster te richten, en door de lens lang open te laten, kan je de schijnbare cirkelbeweging van de sterren rond de poolster zichtbaar maken.

Schijnbaar komt de zon op onze breedtegraad elke dag op in het oosten, en beschrijft dan een grote boog doorheen de hemel. Zij bereikt haar hoogste punt op de (sterrenkundige) middag en verdwijnt achter de horizon in het westen.

In werkelijkheid is het de aarde die in 23 uur 56 minuten en 4 seconden rond haar eigen as draait: deze tijdsduur noemen wij de sterrendag. In die tijd verplaatst de aarde zich echter zelf ook over haar baan en daarom moeten wij nog 3 minuten en 56 seconden wachten tot wij de zon terug op dezelfde plaats zien als de vorige dag. Dat is dus precies 24 uur: dit noemen wij een zonnedag.

De aarde draait in oostelijke richting. Daarom zien wij daar de zon opkomen. Kijk je vanuit de ruimte op de Noordpool, dan zie je de aarde in tegenwijzerzin bewegen. Aan de Zuidpool zie je een beweging in wijzerzin.

Bij de sterren zien wij dat deze bewegen rond een vast punt. De Poolster bevindt zich in dit vaste punt.

Afwisseling dag-nacht en uurgordels

De kant die naar de zon gekeerd is heeft licht. Daar is het dag. De kant die van de zon weg gekeerd is bevindt zich in de aardschaduw en heeft nacht. Plaatsen op dezelfde meridiaan bewegen gelijktijdig ten opzichte van de zon. dus is het op al deze punten op hetzelfde ogenblik middag.

Is het middag op de meridiaan van Greenwich, dan is de zon al aan het dalen op het oostelijk halfrond, terwijl het nog middag moet worden op het westelijk halfrond. Zo is het dan al namiddag in België, terwijl het ochtend is in New York.

Uurgordels

Tussen twee meridianen die 1° van elkaar verschillen, is er een verschil van 4 minuten (24 x 60 min = 1440 minuten en 1440 minuten : 360° = 4 minuten.) Voor een klein landje als België betekent het dat het 12 minuten vroeger middag is in Aarlen dan in Ieper.

Wanneer iedere plaats zijn eigen zonnetijd zou gebruiken, zou dat aanleiding geven tot veel verwarring. Daarom heeft men de aarde ingedeeld in 24 tijdzones. Elke zone is dus 360°/24 = 15° breed. De meridiaan van Greenwich verdeelt de eerste tijdzone in twee. De tijd in deze zone noemen wij Greenwich Mean Time (GMT). Gezien zijn ligging (tussen 2 en 6° OL) maakt België deel uit van de GMT-zone. Wij nemen echter de tijd aan van Midden-Europa (GMT+1u). Tijdens de zomer lopen wij zelfs twee uur voor op de werkelijke zonnetijd. De echte middag valt tijdens de zomervakantie zowat rond 14 uur. Staten kiezen dikwijls de tijd die hen het best uitkomt voor intern gebruik of in relatie met hun buren. Dat België kiest voor UMT+1u heeft alles te maken met de handelsbetrekkingen met de oostelijke buren. Hierdoor zijn er in werkelijkheid meer dan veertig tijdzones, waarvan sommige op halve uren of zelfs op kwartieren vallen.

De 180°-meridiaan is de datumgrens. Ga je in westelijke richting, dan wordt het per 15° 1 uur vroeger. Om 12 u GMT (dat is middag in Greenwich) is op 180° WL de dag pas begonnen.Ga je echter in oostelijke richting, dan wordt het per 15° 1 uur later. Dus op 180° OL is het dan 24 uur en bijgevolg breekt er hier een nieuwe dag aan.

Afvlakking

Bij Saturnus is de afvlakking die het gevolg is van de rotatie nog beter te zien.

De aarde is geen perfecte bol. Door middelpuntsvliedende krachten gaat de aarde, die inwendig nog plastisch is aan de evenaar wat uitzetten en daardoor worden de polen wat afgevlakt. Hierdoor neemt de aarde de vorm aan van een ellipsoïde. Aan de polen ben je dus dichter bij het middelpunt van de aarde, dan aan de evenaar.

Ontstaan van getijden

Zie verder bij 'Beweging van de maan rond de aarde'

Het corioliseffect

Als een vliegtuig op het noordelijk halfrond pal naar het zuiden blijft vliegen, dan zal het toch westelijker uitkomen dan gepland. Dat komt doordat de aarde ondertussen onder het vliegtuig door draait in oostelijke richting.

Het corioliseffect heeft vooral invloed op de windrichtingen. Alle winden die naar de evenaar toe bewegen buigen af naar het westen en lijken op het noordelijk halfrond dus uit het noordoosten te komen. Daardoor ook draaien luchtstromingen op het noordelijk halfrond in de richting van de klok rond een kern van hogedruk. Op het zuidelijk halfrond lijkt de wind uit het zuidoosten te komen en draait tegen de klok in. Ook bij zeestromingen vindt men dit effect terug.

De precessiebeweging van de aardas

Op dit ogenblik (2000 AD)is de Polaris onze poolster.

Een draaiende tol draait niet alleen rond zijn eigen as. Deze as zelf beschrijft langzaam ook een cirkelbeweging. Dit noemt men de precessiebeweging.

De aardas zelf maakt ook een precessiebeweging. Hierbij beschrijft de aardas een kegelmantel in 26000 jaar. De top van de aardas beschrijft hierbij een cirkel in westelijke richting, dus tegengesteld aan de draaibeweging van de aarde. Momenteel staat de Poolster (Polaris v.d. Kleine Beer) zo goed als in het verlengde van de aardas.De volgende poolsterren horen tot het sterrenbeeld Cepheus, (gamma Cephei 4145 en Adleramin of alpha Cephei, 7530)

De beweging van de aarde rond de zon of aardrevolutie

De aarde draait in een ellipsbaan rond de zon

De wetten van Kepler hebben betrekking op alle planeten en hemellichamen die rond de zon draaien.

1. Een planeet beschrijft een ellips om de zon, die zich in een van de brandpunten van deze ellips bevindt.

2. De voerstraal van de zon naar de planeet beschrijft in onderling gelijke tijden onderling gelijke oppervlakken.

1. Een planeet beschrijft een ellips om de zon, die zich in een van de brandpunten van deze ellips bevindt.

2. De voerstraal van de zon naar de planeet beschrijft in onderling gelijke tijden onderling gelijke oppervlakken. (Dit is de perkenwet)

3. De derde machten van de halve grote assen van de banen van de planeten verhouden zich als de kwadraten van hun omloopstijden. (Dit is de harmonische wet.)

Uit waarnemingen blijkt dat de snelheid van de aarde niet altijd even groot is. Met wet 2 kan die berekend worden.

Ons winterhalfjaar (23 september-21 maart = 179 dagen) is korter dan ons zomerhalfjaar (21 maart-23 september = 186 dagen).

Op 3 januari passeert de aarde zijn dichtste punt bij de zon: het perihelium. Tengevolge van de tweede wet van Kepler heeft de aarde hier haar grootste snelheid. Op 4 juli bevindt de aarde zich het verst van de zon in het aphelium. Nu heeft de aarde de kleinste snelheid.

De seizoenen worden dus niet veroorzaakt door de afstand aarde-zon.

Het vlak waarin de baan van de aarde zich bevindt noemt men het eclipticavlak.

Het groene vlak is het vlak door de evenaar en dat staat, net als de aardas, schuin op het eclipticavlak, aangeduid door de zwarte horizontale lijn.

De aardas staat schuin op het eclipticavlak.

De aardas (rotatieas) maakt een hoek van 66°33’ met de ecliptica, ofwel het vlak doorheen de baan die de aarde rond de zon beschrijft. Tijdens de omwenteling van de aarde rond de zon blijft de aardas evenwijdig aan zichzelf.

Het is deze schuine stand van de aardas die verantwoordelijk is voor de seizoenen.

De jaartelling

De duur van een jaar stemt ongeveer overeen met één volledige aardrevolutie.

De exacte tijd van één aardrevolutie is 365 dagen 5 uur 48 minuten en 46 seconden. Om het verschil met het burgerlijke jaar minimaal te houden werkt men met schrikkeljaren. In jaren deelbaar door 4 wordt één dag toegevoegd, maar dan loopt men op termijn weer voor. Daarom zijn enkel de eeuwjaren deelbaar door 400 schrikkeljaren. 1900 en 2100 zijn geen schrikkeljaren, het jaar 2000 was dat wel.

De seizoenen

In de loop van een jaar verandert het deel van de aarde dat verlicht wordt door de zon, en ook de plaats waar de stralen van de zon loodrecht invallen.

Wanneer lichtstralen schuin invallen verlichten zij een groter oppervlak minder intens dan bij rechte inval. Dit verklaart de klimaatsgordels en de seizoenen.

Inval van de zonnestralen op 21 maart en 23 september

Inval van de zonnestralen op 21 juni

Inval van de zonnestralen op 22 december

Klik hier voor een animatie, die de invloed van de schuine stand van de aardas op de seizoenen, verduidelijkt.

De invalshoeken of culminatiehoek (hoek van de zon tot de horizon) variëren volgens tijdstip en breedteligging

• Op 21/3 en 23/9 :
  • zonnestralen loodrecht op de evenaar
  • culminatiehoogte = 90° - breedtegraad op aarde
• Op 21/6:
  • zonnestralen loodrecht op de kreeftskeerkring
  • culminatiehoogte = 90° - (breedtegraad - 23° 27')
• op 22/12:
  • zonnestralen loodrecht op de steenbokskeerkring
  • culminatiehoogte : 90° - (breedtegraad + 23° 27')

Door de invloed van de breedteligging ontstaan aldus ook klimaatsgordels op aarde.

• De polaire gordel, dit is het gebied tussen poolcirkels en pool. Aan de pool zelf is het 6 maanden licht en 6 maanden donker. Ook tijdens de korte zomer zon blijft de zon laag boven de horizon.
• De intermediaire gordel is het gebied tussen poolcirkel en keerkring. Het is er koud tot warmgematigd. De zon komt nooit in het zenit (behalve op de keerkring zelf). Hier hebben wij de vier seizoenen.
• In de intertropengordel, tussen de keerkringen; staat de zon minstens één keer in het zenit. In dit gebied verandert de lengte van de dag amper en de zon staat er altijd hoog. Hier heeft men afwisseling van droogte en regenseizoenen.

Veranderende positie van sterren

De breedteligging van een plaats bepaalt welke sterren zichtbaar zijn in de loop van een jaar.

Circumpolaire sterren zijn sterren die nooit onder de horizon verdwijnen. Bij hun rotatie om de poolster blijven ze voortdurend boven de horizon. Ze zijn dus het hele jaar door ‘s nachts te zien. De sterren van de Grote Beer zijn er voorbeelden van. De circumpolaire sterren van het zuidelijk halfrond zijn nooit in het noordelijk halfrond te zien en omgekeerd.

De andere sterren gaan op in het oosten, klimmen naar het zuiden en gaan onder in het westen, net zoals de zon en de maan. Zij zijn slechts in een gedeelte van het jaar te zien. Sommige sterrenbeelden zijn alleen ’s winters te zien (b.v. Orion), andere alleen ’s zomers. De Zwaan is een typisch zomersterrenbeeld. Zo staat Orion in de zomer, ten opzichte van de aarde, achter de zon en is dus overdag niet zichtbaar.

De beweging van de maan rond de aarde

De maan is de natuurlijke satelliet van de aarde. Zelf straalt ze geen licht uit, maar voor ons is ze wel zichtbaar omdat ze zonlicht in de richting van de aarde weerkaatst . De maan is aanmerkelijk kleiner dan de aarde.

straal : 1738 km (meer dan 3,5 keer kleiner)
gemiddelde afstand aarde – maan : 384.000 km

Door haar geringe massa is haar aantrekkingskracht onvoldoende om gasmoleculen vast te houden, zodat de maan geen atmosfeer van betekenis heeft. Zonder atmosfeer is elke vorm van leven zoals wij het kennen onmogelijk. Het maanoppervlak is oneffen en vertoont vele reliëfvormen. Wat wij als donkere vlekken zien, de zgn. zeeën, zijn lager gelegen zones die minder zonlicht weerkaatsen. De maanvluchten, de maanwandelingen en de meegebrachte gesteentes hebben onze kennis van de maan sterk verruimd.

De eigen bewegingen van de maan

De maan voert gelijktijdig twee bewegingen uit :

• een aswenteling in tegenwijzerzin in 27 dagen, 7 uur en 44 minuten
• een omwenteling om de aarde, ook in tegenwijzerzin en in 27 dagen, 7 uur en 44 minuten

De maanbaan maakt een hoek van 5°09' met het eclipticavlak van de aarde rond de zon. Deze omwentelingsbeweging volgt de wetten van Kepler. De baan is ellipsvormig met de aarde in een van de brandpunten, zodat de afstand aarde maan schommelt tussen 407 000 km in het apogeum en 356 000 km in het perigeum. De omloopsnelheid is daardoor veranderlijk.

Gevolgen van de eigen bewegingen van de maan

De siderische en de synodische maand

De tijd die verloopt tussen twee opeenvolgende conjuncties van de maan ten opzichte van eenzelfde ster, is de siderische maand . Ze is gelijk aan een volledige omwenteling van de maan om de aarde: 27 dagen, 7 uur en 44 minuten . Maar tijdens die siderische maand schuift de aarde (samen met de maan) verder op haar baan om de zon. Om nu van op de aarde de maan opnieuw in dezelfde stand ten opzichte van de zon te zien, moet de maan nog iets meer dan twee dagen op haar baan om de aarde opschuiven. De synodische maand duurt dan ook 29 dagen, 12 uur en 44 minuten.

Dagelijkse schijnbare beweging om de aarde

Door de aardrotatie zien we de maan dagelijks van oost, over zuid naar west om de aarde wentelen. Gezien ze echter zelf om de aarde draait in 27,322 dagen, legt ze 360°/27,322 of 13°10'17" af per dag in tegenwijzerzin aan de sterrenhemel.
De aarde doet er 50 minuten extra over om weer in dezelfde positie te kunnen komen ten opzichte van de maan. Dus zullen maansopgang, culminatie en ondergang dagelijks gemiddeld ongeveer 50 minuten later plaatshebben.

De schijngestalten van de maan

Gedurende de omloop van de maan om de aarde zien we haar belicht oppervlak dagelijks onder een andere vorm.

Een volledige cyclus van de schijngestalten duurt 29,531 dagen of een synodische maand. Die schijngestalten volgen uit de veranderende onderlinge stand van aarde, maan en zon.

Bij conjunctie of stand aarde - maan - zon is het belichte maanoppervlak naar de zon gekeerd, dus van de aarde weg. Van op aarde kunnen we de maan maar zeer zwak waarnemen door onrechtstreekse belichting met licht dat door de aarde weerkaatst werd. Dit is nieuwe maan.

Bij oppositie of stand maan - aarde - zon is het belichte deel van de maan naar de aarde gekeerd. De maan verschijnt bij zonsondergang boven de horizon en blijft tot bij haar ondergang bij zonsopkomst als een volledig belichte cirkel zichtbaar: volle maan.

In de tussenliggende standen is de richting aarde-maan loodrecht op de richting aarde-zon. Van de belichte maan is slechts de helft van op de aarde als een halve cirkel zichtbaar. Bij eerste kwartier is de bolle zijde naar rechts gekeerd, bij laatste kwartier naar links. Bij eerste kwartier schijnt de maan in het eerste deel van de nacht, bij laatste kwartier tijdens het tweede deel van de nacht.

Altijd dezelfde kant zichtbaar vanaf de aarde

Door de gelijke duur van de rotatie en de omwenteling keert de maan altijd dezelfde helft van haar bolvormig oppervlak naar de aarde toe.

De maansverduistering

Maansverduistering van 4 maart 2007

Een maansverduistering kan optreden wanneer de maan geheel of gedeeltelijk in de bij- en/of kernschaduw van de aarde komt: d.i. de gedeeltelijke of volledige maansverduistering.

Het is een echte verduistering die zichtbaar is van op alle plaatsen op aarde waar het op dat moment nacht is. Veelal mist de maan de schaduwkegel, dan is het bij oppositie gewoon volle maan. Een volledige maansverduistering kan meestal ca. 1 1/2 uur waargenomen worden.

De zonsverduistering

Een zonsverduistering kan optreden bij conjunctie van de maan, indien de schaduwkegel van de maan op de aarde valt. Het is een onechte verduistering of eclips: de zon zendt onverminderd stralen uit, maar de plaats van de maan verhindert dat ze het aardoppervlak bereiken. Wegens de beperkte afmetingen van de schaduwkegel van de maan ten opzichte van de oppervlakte van de aarde, is de zonsverduistering een plaatselijk verschijnsel. In de zone die getroffen wordt door de kernschaduw van de maan is er een volledige zonsverduistering, de zone in de bijschaduw beleeft een gedeeltelijke zonsverduistering. In een zone op aarde getroffen door het verlengde van de kernschaduw van de maan, treedt een ringvormige zonsverduistering op.

De zonsverduistering van 1999

Een volledige zonsverduistering kan op dezelfde plaats op aarde hoogstens 7 minuten duren. Niet bij iedere conjunctie of oppositie zal een verduistering optreden. De betrokken hemellichamen moeten ook op één rechte in de ruimte liggen. Omdat de baan van de maan een hoek maakt van 5° met de aardbaan, kan een verduistering maar optreden als de maan in de snijlijn van beide vlakken komt en als ook aan de andere voorwaarden voldaan wordt.

De getijden

Aan de kust vertoont de hoogte van het zeeniveau ten opzichte van een vast punt regelmatige schommelingen: de getijden. Het gemiddelde tijverschil bedraagt in Oostende 3,92 m. Een volledig getij duurt 12 h 25 min of twee getijden in 24 h 50 min wat overeenkomt met de duur van een schijnbare beweging van de maan om de aarde. Tijdens één synodische maand is het tijverschil ook tweemaal duidelijk hoger: springtij en tweemaal merkbaar lager: doodtij.

Ontstaan van een getij

De watermassa van de aarde is onderhevig aan de aantrekkingskracht van de hemellichamen, d.i. in de eerste plaats de aantrekkingskracht van de aarde zelf en vervolgens die van maan en zon. Hoewel de massa van de maan veel kleiner is dan die van de zon, is haar getijdenkracht op de aarde toch groter, omdat ze zich veel dichter bij onze planeet bevindt.

A. Situatie bij springtij
B. Situatie bij doodtij

In de richting van de meridiaan waar de maan culmineert (= aarde naar de maan gekeerd) is er hoogtij omdat de aantrekkingskracht daar het grootst is. Aan de tegenoverliggende meridiaan, die 180° verder ligt, is het eveneens hoogtij omdat daar de aantrekkingskracht het kleinst is en het water 'achterblijft'. Het hoogtij aan deze kant komt minder hoog dan aan de kant waar de maan staat.

Zes uur later is dezelfde plaats op aarde 90° gedraaid en krijgt die plaats laagtij, omdat het water daar weggetrokken wordt naar de twee plaatsen waar er hoogtij is.

Het getijdenverschil wordt mee beïnvloed door de aantrekkingskracht van de zon. Bij volle en nieuwe maan wordt de aantrekkingskracht van de maan versterkt, zodat springtij voorkomt. Bij eerste en laatste kwartier werken beide aantrekkingskrachten elkaar tegen, zodat een doodtij ontstaat.

Belang van de getijden voor mens en ecomomie

De getijdencentrale van de Rance in Bretagne

Havens zoals Antwerpen, die wat dieper landinwaarts liggen hebben twee nadelen door de getijden.

• Grote schepen kunnen alleen bij hoogwater binnenvaren.
• In de riviermonding wordt het afstromende water geremd door de tegenovergestelde kracht van de vloedgolven. Daardoor bezinkt het puin dat door de rivier meegebracht wordt. Er moet voortdurend gebaggerd worden om de riviermonding bevaarbaar te houden.
  

Vooral bij springtij is er kans dat lagergelegen kuststreken (polders) tijdens een krachtige storm overstromen. De storm van februari 1953 in Zeeland is er een voorbeeld van.

Getijden kunnen ook als energiebron gebruikt worden. Op de Rance in Bretagne hebben de Fransen een eerste getijdecentrale gebouwd. Zij benutten hier het getijdeverschil van 13 m tussen eb en vloed om via turbines elektriciteit te produceren.