Precessie en nutatie van de aardas
Ontstaan van de Aarde
De planeten en planetoïden ontstonden zo'n 4,6 miljard jaar geleden uit een schijfvormige gas- en stofwolk (accretieschijf, 'accretie' = 'toeneming in massa/omvang') die de prille Zon omringde. Schokgolven van interstellaire oorsprong, of een nabije supernova-explosie, duwden het gas en stof in tegenwijzerzin om de Zon. Ontelbare grote en kleine brokstukken (planetesimalen) uit die accretieschijf botsten met elkaar en klitten samen. Naarmate de omvang van de proto-Aarde toenam werd ook haar aantrekkingskracht sterker, wat nog meer planetesimalen aantrok, waardoor de Aarde in-wording gestaag groeide.
Duur van de asrotatie
In het vroege zonnestelsel bewogen de meeste planetesimalen in tegenwijzerzin om de Zon, waardoor botsingen ervoor zorgden dat de Aarde en alle andere planeten bij aanvang ook in deze zin om hun as gingen draaien. Bekeken boven de noordpool wentelt de Aarde thans in 23 uur 56 minuten 4,1 seconden in tegenwijzerzin om haar as - de duur van 1 sterrendag (siderische dag), gemeten t.o.v. de oneindig ver weg gelegen vaste sterrenachtergrond. In den beginne was de asrotatieduur van de Aarde beduidend korter (ze draaide sneller om haar as, tot 6 uur) dan tegenwoordig. Dit kon men o.m. achterhalen uit de wisselende diktes van laagjes in bepaalde afzettingsgesteenten. De asrotatie en beweging om de Zon bepalen het dag- en nachtritme.
Afplatting van de Aarde
Wanneer men een massa (gewicht) verbonden met een koord rondslingert, dan ervaart men een naar buiten gerichte trekkracht - de centrifugaalkracht (het Latijnse 'centrum' + 'fugere' = 'vluchten', 'van het centrum wegvluchten'). De aardasrotatie veroorzaakt ook zo'n centrifugaalkracht - een naar buiten gerichte kracht die massa van de Aarde die het verst van de as ligt, rond de evenaar, het sterkst van de aardas weg slingert, tot ze een evenwicht bereikt met de zwaartekracht. Daardoor is de Aarde geen bol maar een ellipsoïde, dikker aan de evenaar en afgeplat aan de polen; de equatoriale diameter is ca. 42,8 km groter dan de lengte van de poolas. De afplatting van de Aarde werd in de achttiende eeuw aangetoond door twee geodetische expedities: een Frans-Spaans-Ecuadoraanse o.l.v. Charles-Marie de La Condamine (1701-1774), en een Frans-Zweedse o.l.v. Pierre-Louis Moreau de Maupertuis (1698-1759), die meridiaanbogen maten nabij de evenaar en noordpoolcirkel.
Ontstaan van de Maan en gevolgen voor de aardrotatie
Volgens simulaties zou de Maan zijn gevormd uit de botsing van de Aarde met een hypothetische planeet ter grootte van Mars, genaamd Theia. In de Griekse mythologie was Theia de moeder van de maangodin Selene (Luna is de Romeinse maangodin). De enorme klap met Theia kantelde de rotatieas van de Aarde drastisch op haar baanvlak om de Zon. De aantrekkingskracht van de Maan op de equatoriale uitstulping van de Aarde, en de door de getijden rondgeslingerde watermassa, werken als remmen op de asrotatie, waardoor de Aarde langzamer om haar as is gaan draaien.
Wet van behoud van impulsmoment
Het behoud van draaimoment (impulsmoment) is een natuurwet die stelt dat als een object eenmaal in een bepaald tempo aan het draaien is, het de neiging heeft om die draaiing en oriëntatie van de draaias vol te houden, zolang er geen externe krachten op inwerken. Wiskundig stipuleert die behoudswet dat het product van de massa, snelheid, en afstand tot een rotatieas ongewijzigd blijft. Draaimoment is een vector - een grootheid met een numerieke waarde en richting (zin). De Aarde blijft daarom, in een goede eerste benadering, haar rotatieduur en asoriëntatie in de ruimte aanhouden. De vrijwel constante helling van de aardas op het baanvlak om de Zon veroorzaakt de seizoenen, en situeert de keerkringen (de tropenzone) en poolcirkels (met de middernachtzon - pooldagen, en poolnachten).
De inclinatie van de aardas
De gedurende lange tijd quasi-constante oriëntatie van de rotatieas in de ruimte maakte navigatie op basis van de sterren en grote ontdekkingsreizen over zee mogelijk, want geprojecteerd op de hemelkoepel bevindt zich dicht bij de noordelijke hemelpool toevallig een met het blote oog zichtbare ster - Polaris, of de Poolster (α Ursae Minoris, sterrenbeeld Ursa Minor/Kleine Beer). Thans maakt de aardas een hoek van ca. 66,5° met het baanvlak om de Zon, of 23,5° met de loodrechte (normaal) op dit vlak. De Griekse geograaf, astronoom, navigator, en ontdekkingsreiziger Pytheas van Massalia (huidige Marseille) bepaalde in de vierde eeuw vóór Christus de helling (inclinatie) van de aardas.
Precessie van de aardas
Door de helling van de aardas op haar baanvlak valt de equatoriale uitstulping niet samen met dit baanvlak om de Zon. De Zon, Maan, en in veel mindere mate de
planeten proberen die uitstulping aan de evenaar te doen samenvallen met het baanvlak. De trekkende beweging doet de aardas in ca. 25.772 jaar een trage tollende omloopbeweging in wijzerzin maken (gezien boven de noordpool): de precessiebeweging.
Het woord 'precessie' is afkomstig uit het Latijnse 'praecissio', wat 'voorafgaan' betekent. Oorspronkelijk werd de benaming gebruikt om aan te duiden dat de equinoxen langzaam vroeger optraden.
Geprojecteerd op de hemelbol vormt de evenaar van de Aarde de hemelevenaar. De ecliptica of schijnbare zonneweg is de schijnbare jaarlijkse baan van de Zon t.o.v. de vaste sterren op de hemelbol. Gezien vanuit de Zon is de ecliptica de jaarlijkse baan van de Aarde om de Zon. De zonneweg snijdt de hemelevenaar in twee punten: het lentepunt, en herfstpunt recht ertegenover. Het lentepunt vertoefde van 1865 tot 68 vóór Christus in het sterrenbeeld Ram (Aries). Van 68 vóór tot 2597 na Christus vertoeft het in het sterrenbeeld Vissen (Pisces). Het symbool ♈︎ van de Ram voor het lentepunt verwijst nog naar het oude (astrologische) sterrenbeeld waarin het zich bevond toen het voor het eerst werd beschreven.
Hemelsfeer met hemelevenaar, ecliptica en equinoxen
Copyright afbeelding: Sanu N via Wikipedia met licentie Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International
De equinoxen zijn dus de twee diametrale punten aan de hemel waar de Zon de hemelevenaar kruist, en het begin van de astronomische lente en herfst markeren. Op dat moment zijn dag en nacht overal op Aarde gelijk; het Latijnse 'aequinoctium' omvat 'aequus' = 'gelijk' en 'nox' = 'nacht'.
Griekse astronoom, geograaf, en wiskundige uit de tweede eeuw vóór Christus, Hipparchus van Nicaea in Bithynië (hedendaagse İznik in Turkije) voltooide in 129 vóór Christus een sterrencataloog. Hij vergeleek zijn waarnemingen met deze van de Griekse astronomen Timocharis van Alexandrië (Egypte) en diens volgeling Aristyllus zo'n anderhalve eeuw eerder, en ontdekte hieruit de westwaartse verschuiving (precessie) van de hemelevenaar (met de equinoxen) op de ecliptica. Hij beschreef ook het lentepunt. Hipparchus stelde vast dat de sterrenposities systematisch, zo'n 50 boogseconden per jaar, waren opgeschoven. Daaruit concludeerde hij dat het niet de sterren waren die bewogen, maar het platform ten opzichte waarvan ze werden waargenomen - de Aarde. Precessie was de derde beweging van de Aarde die men ontdekte, na de dagelijkse en jaarlijkse beweging.
Andere poolsterren aan de hemel
Sterrenkaarten worden opgemaakt voor een bepaald tijdstip, omdat het referentiepunt dat als nulpunt van het (equatoriale) hemelcoördinatenstelsel wordt gebruikt - het lentepunt - door de precessiebeweging geleidelijk opschuift aan de hemel. Thans is dit volgens de situatie op 1/1/2000 om 12:00:00 Terrestrial Time, aangegeven met 'epoch J2000' ('J' verwijst naar juliaanse jaren van 365,25 dagen).
Door de geleidelijke precessie wijzigen de poolsterren in de loop der tijd. De helderste ster aan de hemel, Sirius (α Canis Majoris, sterrenbeeld Canis Major/Grote Hond), zal rond het jaar 66.270 zo'n 1,6° van de zuidelijke hemelpool schitteren. Rond 9.250 wordt δ Velorum (Alsephina) in het sterrenbeeld Vela/Zeilen poolster op het zuidelijk halfrond, en nadert tot 0,2°, dichter tot de hemelpool dan Polaris ooit de noordelijke hemelpool nadert.
Kleinere schommelingen van de aardas
Bovenop de geleidelijke (= seculaire) precessie ondergaat de aardas talrijke kleine periodieke schommelingen: de nutatie. De grootste bijdrage wordt geleverd door de beweging van de Maan om de Aarde. Nutatie slingert de aardas tot ca. 10 boogseconden rond de gemiddelde aardas, geprojecteerd op de hemelkoepel.
Het woord 'nutatie' is afkomstig uit het Latijnse 'nutatio', wat 'knikken' betekent. Het verschijnsel is bij toeval ontdekt door de Engelse astronoom en priester James Bradley (1692-1762) uit een reeks sterrenwaarnemingen tussen 1727-1747.
Nauwkeurige (schijnbare) posities van hemelobjecten moeten rekening houden met de precessie en nutatie, en een resem andere afwijkingen.
Aardrotatie, precessie en nutatie
Copyright afbeelding: NASA Space Geodesy Project - klik hier voor de bijhorende animatie
Geraadpleegde bronnen
- Why does the Earth rotate? (Marcus Woo, 2018)
- Treatise on Geophysics, Second edition, Volume 9, blz. 221-279, The history of the Earth's rotation - Impacts of deep Earth physics and surface climate variability (W. R. Peltier, Elsevier BV, 2015)
- Precession, nutation, and wobble of the Earth (V. Dehant, P. M. Mathews, Cambridge University Press, 2015)
- Wet van behoud van impulsmoment
- Mathematical Astronomy Morsels V (Jean Meeus, Willmann-Bell Inc., 2009), blz. 353-363
Tekst: Herwig Ronsmans, december 2023