Księżyc – naturalny satelita
Księżyc zwraca uwagę każdego człowieka. Jest widoczny w nocy, ale często także podczas dnia. To bardzo jasny obiekt – po Słońcu to najjaśniejsze ciało niebieskie widoczne z Ziemi. Obserwacja w czasie kilku dni, a jeszcze lepiej – kilkunastu, pozwala zobaczyć, że Księżyc zmienia swój wygląd oraz położenie. Rzadko – zdarza się to czasem tylko dwa razy w roku – podczas pełni przybiera czerwoną barwę. Dlaczego tak się dzieje? Odpowiedź na to pytanie znajduje się w tym rozdziale.
zaobserwować Księżyc na niebie;
opisać kształt widocznej części tarczy Księżyca.
opisywać przebieg faz Księżyca i nazywać niektóre z nich;
wyjaśniać zmiany wyglądu oświetlonej części Księżyca widzianej z Ziemi;
opisywać warunki występowania zaćmienia Księżyca i jego wygląd na niebie podczas tego zjawiska.
1. Fazy Księżyca
Księżyc krąży wokół Ziemi – to stwierdzenie jest znane od najdawniejszych czasów. Jednak wiele osób pytanych o ten ruch odpowiada, że naturalny satelita Ziemi krąży ze wschodu na zachód. Tak naprawdę jest to efekt nie ruchu Księżyca, a wirowego ruchu Ziemi. Prawdziwy ruch Księżyca odbywa się z zachodu na wschód. W poprzednim rozdziale opisaliśmy, jak zaobserwować tę zmianę położenia.
W jaki sposób możemy opisać i wyjaśnić ruch Księżyca i zmiany jego wyglądu?
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Animacja prezentująca Ziemię, Księżyc i Słońce. Księżyc zaczyna swój ruch wokół Ziemi i dokonuje pełnego obiegu wokół niej, po lewej stronie są wyświetlane wszystkie fazy i fazy pośrednie Księżyca.
Spróbujmy podsumować nasze obserwacje.
W położeniu 1. Słońce oświetla półkulę Księżyca odwróconą od Ziemi. Druga półkula jest nieoświetlona, zatem Księżyc nie jest widoczny. Mówimy, że znajduje się on w fazie nowiunowiu. W położeniu 2. półkula Księżyca widoczna z Ziemi będzie częściowo oświetlona przez Słońce. Obserwator zauważy więc część Księżyca zawartą między narysowanymi liniami, czyli wąski sierp – reszta półkuli Księżyca zwróconej ku Ziemi jest nieoświetlona. W położeniu 3. widoczna będzie połowa półkuli zwróconej do Ziemi – tę fazę nazywamy pierwszą kwadrą. Położenie 5. to faza pełnipełni Księżyca. Zauważ, że obserwator, który chce jednocześnie widzieć Słońce i Księżyc w pełni, musi stać na linii dzielącej półkulę nocną i dzienną Ziemi. Słońce będzie obserwował na zachodzie, a Księżyc – na wschodzie. Położenie 7. nazywane jest trzecią albo ostatnią kwadrą.
Na niebie możemy obserwować jednocześnie i Słońce, i Księżyc w pierwszej kwadrze. Jaki jest kąt między kierunkiem, w jaki spoglądamy aby widzieć Słońce a kierunkiem, w jakim ustawiamy się aby patrzeć na Księżyc?
Jaki będzie kąt między kierunkiem obserwacji Słońca a kierunkiem obserwacji Księżyca, jeżeli Księżyc będzie:
w pełni;
w ostatniej kwadrze.
W jakich okresach swojego ruchu Księżyc będzie widoczny po zachodzie Słońca, a w jakich – przed wschodem? W jaki sposób można wskazać położenie Słońca, patrząc na oświetloną część Księżyca?
Warto zwrócić uwagę na całkowicie fałszywe przekonanie wielu ludzi o istnieniu „ciemnej strony Księżyca”, czyli takiej, na której zawsze jest noc. W każdej chwili jedna połowa powierzchni naszego satelity jest oświetlona przez Słońce, a druga – oczywiście nie (aby się o tym przekonać, skorzystaj z powyższej animacjianimacji).
Ponieważ pełen obrót Księżyca wokół własnej osi i jego pełen obieg wokół Ziemi są sobie równe i odbywają się w tę samą stronę, Księżyc zwraca ku Ziemi zawsze tę samą półkulę.
Człowiek przedstawiony na rysunku stoi nieruchomo w dowolnym punkcie na powierzchni Księżyca. W ciągu około tygodnia Księżyc obróci się w lewo o 90° (będzie to obrotu) i jednocześnie wykona pełnego obiegu. Półkula, na której stoi człowiek, będzie zawsze zwracać się w stronę Ziemi. Druga półkula pozostanie niewidoczna, ale oczywiście będzie również co pewien czas oświetlana przez Słońce, jak to wyraźnie widać na rysunku.
Księżyc widziany 2–3 dni po nowiu wygląda jak na rysunku poniżej.
Na rysunku przedstawiającym schemat oświetlenia Księżyca zaznacz położenie Księzyca w sytuacji widocznej na powyższym zdjęciu.
Warto dodać, że czas między dwiema kolejnymi pełniami wynosi około 29 dni i 12 godzin oraz nazywany jest miesiącem synodycznymmiesiącem synodycznym. Jest on dłuższy od okresu ruchu Księżyca wokół Ziemi, czyli miesiąca gwiazdowegomiesiąca gwiazdowego (inaczej: syderycznego), który wynosi około 27 dni i 8 godzin.
Niezależnie od położenia na Ziemi wszyscy obserwują dokładnie te same fazy Księżyca. To znaczy, że jeśli Księżyc jest w pełni, to jest ona widoczna na całej kuli ziemskiej.
2. Zaćmienia Księżyca
Do najciekawszych zjawisk związanych z ruchem Księżyca wokół Ziemi należą niewątpliwie zaćmienia Słońca i Księżyca. W układzie Ziemia–Księżyc są one szczególnie efektowne, ponieważ pozorna średnica Księżyca jest w przybliżeniu równa średnicy Słońca. Gdy między Ziemią a Słońcem znajdzie się Księżyc, to zasłoni on całkowicie tarczę Słońca.
Z kolei Księżyc podczas wędrówki po swojej okołoziemskiej orbicie może wejść do wnętrza stożka cienia całkowitego Ziemi, który znajduje się z przeciwnej strony Ziemi niż Słońce. Wystąpi wtedy zaćmienie Księżycazaćmienie Księżyca.
– zjawisko, które występuje, gdy Księżyc znajduje się w obszarze cienia Ziemi.
Na rysunku widać, że Księżyc znajduje się wtedy po przeciwnej stronie Ziemi niż Słońce, czyli jest w fazie pełni. I tu pojawia się pewien problem: kolejne pełnie następują co 29,5 dnia, a przecież zaćmienie Księżyca zdarza się znacznie rzadziej. Dlaczego tak się dzieje?
Powodem jest nachylenie płaszczyzny orbity Księżyca względem Ziemi do płaszczyzny orbity Ziemi względem Słońca. Wyjaśniają to dokładnie dwa poniższe rysunki.
Stożek cienia całkowitego Ziemi to miejsce, gdzie nie powinny docierać promienie słoneczne. Tarcza Księżyca jest jednak widoczna podczas tego zjawiska. Dlaczego tak się dzieje?
Podczas zaćmienia tarcza Księżyca najpierw ciemnieje, gdyż wchodzi w obszar półcienia, a następnie jest stopniowo zasłaniana przez Ziemię. W czasie całkowitego zaćmienia przyjmuje barwę czerwono‑brunatną. Wynika to z faktu, że Księżyc oświetlany jest promieniami słonecznymi, które się załamują i rozpraszają w atmosferze ziemskiej. Najsilniej rozpraszane są promienie o barwie niebieskiej i właśnie dlatego niebo ma niebieski kolor. Przechodzące dalej promienie załamują się w atmosferze i gdy z niej wychodzą, mają czerwoną barwę. Oświetlają one Księżyc znajdujący się w stożku cienia i nadają naszemu satelicie właśnie taki kolor.
Ten sam mechanizm powoduje, że Słońce podczas wschodu i zachodu przybiera barwę czerwoną.
Zaćmienie Księżyca jest zjawiskiem astronomicznym wywołującym ogromne wrażenie na obserwatorze. Przyjrzyjmy się zaćmieniu jeszcze raz.
Które ze zdań są prawdziwe, a które fałszywe?
| Prawda | Fałsz | |
| Jeśli Księżyc znajduje się między Słońcem a Ziemią, to jego fazę nazywamy nowiem. | □ | □ |
| Zaćmienie Księżyca ma miejsce, gdy znajdzie się on w cieniu Ziemi. | □ | □ |
| Do zjawiska zaćmienia Księżyca dochodzi, gdy Ziemia znajduje się na linii między Słońcem a Księżycem. | □ | □ |
| Zaćmienie Księżyca obserwujemy zawsze, gdy jest on w pełni. | □ | □ |
| Jeśli Księżyc znajduje się między Słońcem a Ziemią, to jego fazę nazywamy pełnią. | □ | □ |
| Zaćmienia Księżyca nigdy nie obserwujemy, gdy Ziemia znajduje się w stosunku do Słońca przed Księżycem. | □ | □ |
| Ziemia nigdy nie rzuca swojego cienia na Księżyc. | □ | □ |
| Zaćmienie obserwujemy, gdy Księżyc znajdzie się poza obszarem cienia Ziemi. | □ | □ |
Wiedza o zaćmieniach Księżyca nie była powszechna w Europie, nie mówiąc już o innych kontynentach. „Zaćmienie Księżyca ocaliło Krzysztofa Kolumba, zagrożonego śmiercią głodową na Jamajce, gdzie zbuntowana ludność odmówiła mu pożywienia. Wiedząc o rychłym wystąpieniu tego zjawiska, Kolumb uciekł się do groźby oryginalnej – pozbawienia tubylców światła księżycowego – i dotrzymał słowa. Zaledwie Księżyc się schował, skruszeni mieszkańcy rzucili się do nóg sławnego żeglarza, błagając o przebaczenie”. Historia ta przydarzyła się podróżnikowi 1 marca 1504 r. Opisuje ją Kamil Flammarion w książce .
3. Księżyc – najlepiej zbadany obiekt pozaziemski
Księżyc i Słońce to dwa ciała niebieskie, które od najmłodszych lat potrafimy zidentyfikować na niebie. Księżyc jest najbliższym sąsiadem Ziemi, gdyż znajduje się około 384 403 km od jej środka. Obszary widoczne na naszym satelicie jako jaśniejsze to wyżyny i góry, a ciemniejsze to tzw. morza. Morza są bardziej płaskie i odbijają mniej promieni słonecznych. Obszary bardziej pofałdowane lepiej rozpraszają światło słoneczne.
Oprócz pofałdowań powierzchni (zwanych górami) można zobaczyć również kratery meteorytowe.
Takich kraterów są tysiące. Największe znajdują się na powierzchni Księżyca niewidocznej z Ziemi. Największy krater to Hertzsprung, który ma średnicę prawie 600 km. Kratery meteorytowe mają bardzo łagodne stoki. Przy wysokości wału 1 km ich szerokość może wynosić do 20 km. Nie przypominają one wulkanów na Ziemi, takich jak np. Wezuwiusz. Nie są pochodzenia wulkanicznego – powstały wskutek uderzenia ogromnych brył meteorytów w skorupę Księżyca. Dowodem na to są obszary o większej gęstości, tzw. maskony, odkryte pod skorupą Księżyca. Znajdują się one pod dużymi kraterami i morzami księżycowymi. Najprawdopodobniej wielka bryła poruszająca się z dużą prędkością przebiła skorupę Księżyca i wybiła krater. Przez otwór powstały w skorupie wydostała się płynna lawa i po zastygnięciu utworzyła morze księżycowe.
W XVII wieku obserwacją powierzchni Księżyca zajmował się polski astronom Jan HeweliuszJan Heweliusz. Posiadał on w Gdańsku kilka kamienic. Na wspólnym dachu trzech z nich wybudował obserwatorium astronomiczne. Dysponował największymi wówczas teleskopami i prowadził obserwacje powierzchni Księżyca. Właśnie dlatego uznawany jest za ojca selenografiiselenografii, czyli działu astronomii zajmującego się opisem powierzchni Księżyca.
Już w 1959 roku rozpoczęto badania Księżyca prowadzone w przestrzeni kosmicznej. W styczniu tego roku w pobliżu satelity Ziemi przeleciał statek kosmiczny Łuna 1, wysłany przez Radziecką Agencję Kosmiczną, a w październiku Łuna 3 zrobiła zdjęcia części Księżyca niewidocznej z Ziemi. Kosmiczne agencje radziecka i amerykańska prześcigały się w podboju Srebrnego Globu. ZSRR realizował program badawczy dotyczący gruntu Księżyca, a Amerykanie prowadzili program Apollo, który zakończył się lądowaniem człowieka na Księżycu.
Powierzchnia Księżyca pokryta jest grubą warstwą drobnego regolituregolitu. Składają się na niego zarówno odłamki skał powstałe w wyniku uderzeń meteorytówmeteorytów, jak i pył meteorytów bezustannie opadający na powierzchnię.
Wygląd skał księżycowych jest podobny do skał ziemskich. Grunt w większości składa się z metali o wysokiej temperaturze wrzenia. Substancje takie jak woda, czyli o niskiej temperaturze wrzenia, wyparowały z naszego satelity w przestrzeń kosmiczną. Skały księżycowe zawierają mniej składników lotnych niż skały ziemskie. Badania próbek gruntu księżycowego potwierdzają, że w skałach Księżyca nie ma wody. Wyniki tych badań wskazują także, że proces tworzenia się skał zachodził bez udziału tlenu. Szacuje się, że najmłodsze skały liczą 3,1 miliarda lat, a najstarsze – 4,4 miliarda lat.
Podsumowanie
Księżyc jest naturalnym satelitą Ziemi, którego obieg wokół naszej planety wynosi około 27,3 doby. Tor ruchu Księżyca jest bardzo zbliżony do elipsy.
Powierzchnia Księżyca pokryta jest warstwą rozdrobnionej skały. To rozdrobnienie jest efektem uderzeń meteorytów, opadania mikrometeorytów oraz kruszenia się skał w wyniku zmian temperatury.
Informacje na temat budowy Księżyca uzyskano dzięki różnym projektom badawczym.
Obserwowany kształt tarczy Księżyca zależy od wzajemnego położenia Słońca, Ziemi i Księżyca. Jego fazy są skutkiem ruchu obiegowego wokół Ziemi.
Zaćmienie Księżyca zachodzi, gdy znajdzie się on w cieniu Ziemi.
W astronomii poza pojęciem miesiąca gwiazdowego i synodycznegosynodycznego występuje stosuje się jeszcze określenie „miesiąc smoczy”. Znajdź definicję miesiąca smoczego i napisz, z czym związana jest ta nazwa.
Miesiąc synodyczny, czyli czas pomiędzy np. pełniami, jest dłuższy niż pełen obieg Księżyca wokół Ziemi (tzn. miesiąc gwiazdowymiesiąc gwiazdowy). Dlaczego tak się dzieje? Pamiętaj, że Ziemia wraz z Księżycem krążą dookoła Słońca.
Słowniczek
– ciało, które nie wyparowało w atmosferze i uderzyło w powierzchnię ciała niebieskiego znacznie większego od siebie. Księżyc nie ma atmosfery i dlatego wszystkie ciała, które przyciąga, uderzają w jego powierzchnię.
– pełen obieg Księżyca wokół Ziemi. Wynosi 27,3217 doby ().
– czas między dwiema takimi samymi fazami Księżyca, który trwa .
– faza Księżyca, podczas której jest on niewidoczny z powierzchni Ziemi; tarcza Księżyca jest wtedy niewidoczna, ponieważ znajduje się on między Ziemią a Słońcem.
– faza Księżyca, podczas której jego tarcza zwrócona do Ziemi całkowicie oświetlona.
– warstwa pokruszonej skały na powierzchni Księżyca. To rozdrobnienie jest efektem uderzeń meteorytów, opadania mikrometeorytów oraz kruszenia się skał w wyniku zmian temperatury.
– dział astronomii opisujący powierzchnię Księżyca.
Biogramy
Jan Heweliusz
Ojciec Jana Heweliusza zapewnił mu wszechstronne wykształcenie. Młody Jan rozpoczął naukę w Gdańskim Gimnazjum Akademickim, gdzie uczył się pod okiem profesora Piotra Krügera (który kształcił też Keplera i Brahego). Następnie studiował w Królewcu, a także na uniwersytetach w Lejdzie i Oksfordzie. Wybudował obserwatorium na dachu trzech gdańskich kamienic, gdzie znajdowały się teleskopy, do których soczewki Heweliusz szlifował osobiście. W jego obserwatorium gościli królowie. Uczony obserwował plamy na Słońcu, powierzchnię Księżyca oraz komety. Stworzył też katalog gwiazd. Był wynalazcą śruby mikrometrycznej, zbudował również prototyp peryskopu i zegara wahadłowego.
Zadania podsumowujące moduł
Rozwiąż krzyżówkę.
- Jedna z wielkości fizycznych, jej jednostka to m/s.
- Jedna z faz Księżyca.
- Dział astronomii zajmujący się powierzchnią Księżyca.
- Czas potrzebny na wykonanie jednego pełnego obrotu.
- Słynny gdański astronom żyjący w XVII wieku.
- Może być gwiazdowy.
- Każde ciało obiegające inne ciało, np. Księżyc
| 1 | ||||||||||||||||
| 2 | ||||||||||||||||
| 3 | ||||||||||||||||
| 4 | ||||||||||||||||
| 5 | ||||||||||||||||
| 6 | ||||||||||||||||
| 7 |
Na podstawie informacji dotyczących Księżyca zamieszczonych w tej lekcji oceń prawdziwość każdego zdania.
| Prawda | Fałsz | |
| Na powierzchni Księżyca występują kratery, które powstały na skutek zderzeń m.in. z meteorytami. | □ | □ |
| Jan Heweliusz sporządził pierwsze mapy powierzchni Księżyca dzięki współpracy z Galileuszem. | □ | □ |
| W każdym miejscu na Ziemi w tym samym czasie obserwowane są różne fazy Księżyca. | □ | □ |
| Okres obiegu Księżyca wokół Ziemi wynosi 24 godziny. | □ | □ |
| Zaćmienie Księżyca można zaobserwować, gdy jest on w pełni. | □ | □ |
| Zaćmienie Księżyca nie zachodzi podczas każdej pełni, ponieważ orbita Księżyca jest nachylona pod określonym kątem do orbity Ziemi. | □ | □ |