Księżyc – naturalny satelita

Rn2uqCspF0eby

Zdjęcie przedstawia zbliżenie Księżyca Ziemi, a ściślej mówiąc jego prawej połowy oświetlonej przez Słońce. W takim układzie dzięki bocznemu rzutowi światła i powstającym na powierzchni Księżyca długim cieniom możliwe jest rozpoznanie kraterów, szczególnie wyraźnych na styku obszarów światła i cienia.

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 jaki sposób możemy opisać i wyjaśnić ruch Księżyca i zmiany jego wyglądu?

R1KikDa3zQgnR

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.

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.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1KikDa3zQgnR

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 nowiunównowiu Słońce oświetla półkulę Księżyca odwróconą od Ziemi. Druga półkula jest nieoświetlona, zatem Księżyc nie jest widoczny. W kolejnych dniach półkula Księżyca widoczna z Ziemi będzie częściowo oświetlona przez Słońce. Obserwator zauważy więc część Księżyca – wąski sierp – reszta półkuli Księżyca zwróconej ku Ziemi jest nieoświetlona. W pierwszej kwadrze widoczna będzie połowa półkuli zwróconej do Ziemi. W pełni Księżycapełniapełni Księżyca oświetlona pozostaje cała widoczna z Ziemi półkula 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. W połowie między pełnią a kolejnym nowiem następuje faza nazywana trzecią albo ostatnią kwadrą, wtedy oświetlona jest połowa widocznej z Ziemi tarczy Księżyca.

Polecenie 1

Narysuj schematycznie wzajemne ułożenie Słońca, Ziemi i Księżyca, gdy Księżyc jest w pierwszej kwadrze.

R1Jx0E234oh3j

Opisz wzajemne ułożenie Słońca, Ziemi i Księżyca, gdy Księżyc jest w pierwszej kwadrze.

RJupEwAW9iLNp

(Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

R147jaJNVprrS

Ilustracja przedstawia układ Ziemi, Słońca i Księżyca. Środek Ziemi i środek Słońca leżą na jednej prostej. Środek Księżyca leży na jednej prostej ze środkiem Ziemi, prostopadłej do prostej Ziemia -Słońce. Oświetlona jest prawa połowa tarczy 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.

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.

RF0jDj81LVReT

Ilustracja przedstawia Ziemię oraz osiem mniejszych kół narysowanych wokół niej. Prawa połowa Ziemi ciemniejsza niż lewa. Koła mniejsze od Ziemi, niebieskie symbolizują księżyc. Rozłożone równomiernie wokół Ziemi. Prawe połowy wszystkich kół ciemniejsze od lewych. Na każdym kole stoi człowiek którego głowa skierowana jest do środka Ziemi. Obserwator stojący we wskazanym miejscu na Księżycu widzi cały czas Ziemię nad głową.

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 $\frac{1}{4}$ obrotu) i jednocześnie wykona $\frac{1}{4}$ 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.

Polecenie 3

Księżyc widziany $\text{2}$ – $\text{3}$ dni po nowiu wygląda jak na rysunku poniżej.

R1V4VpzQ8TioT

Ilustracja przedstawia Księżyc. Tło czarne. Księżyc srebrno‑szary. Księżyc widoczny jako cienki „rogalik”.

Na rysunku przedstawiającym schemat oświetlenia Księżyca zaznacz położenie Księżyca w sytuacji widocznej na powyższym zdjęciu.

Rzz9NLL5qWuBw

Widzisz na niebie Księżyc, kilka dni po nowiu. Widoczna jest jego dolna i prawa część (patrząc z Ziemi), jako cienki „rogalik”. Opisz położenie Księżyca względem Ziemi i Słońca w podanej sytuacji. Notatki możesz zapisać w polu poniżej.

R1GvmvLGcMcBl

(Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

R3iA6QhIYAfM2

Na rysunku przedstawiono układ Ziemia, Słońce, Księżyc. Wszystkie przedstawione są jako koła. Środek Słońca i Ziemi znajdują się na jednej prostej. Ze środka Słońca wychodzi odcinek pod kątem dwudziestu pięciu stopni do prostej łączącej środek Ziemi i Słońca. Na drugim końcu tego odcinka znajduje się środek Księżyca, znajdującego się na orbicie wokół Ziemi. Kąt między prostą, na której znajdują się środek Słońca i Księżyca, a prostą na którą znajdują się środek Księzyca i Ziemi, wynosi około sto dziesięć stopni. Oświetlona część Księżyca przypomina bardzo cienki rogalik.

Warto dodać, że czas między dwiema kolejnymi pełniami wynosi około $\mathrm{29}$ dni i $\mathrm{12}$ godzin oraz nazywany jest miesiącem synodycznymmiesiąc synodycznymiesiącem synodycznym. Jest on dłuższy od okresu ruchu Księżyca wokół Ziemi, czyli miesiąca gwiazdowegomiesiąc gwiazdowymiesiąca gwiazdowego (inaczej: syderycznego), który wynosi około $\mathrm{27}$ dni i $8$ godzin.

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 zwykle 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 Księżycazaćmienie Księżyca.

R16sx29mvniu3

Ilustracja przedstawia schemat zaćmienie Księżyca. Tło białe. W lewym, dolnym rogu narysowano żółte Słońce. Słońce zajmuje prawie 1/4 ilustracji. W prawym, górnym rogu narysowano Ziemię. Ziemia wyraźnie mniejsza niż Słońce. Wokół Ziemi narysowano szarą elipsę podpisaną: „orbita Księżyca”. Na orbicie narysowano trzy koła przedstawiające Księżyc. Dwa z kół (jasnoszare) znajdują się po bokach Ziemi. Od Słońca w ich kierunku poprowadzono cienie linie. Oba koła znajdują się w zasięgu promieni Słońca. Jedno całkowicie, drugie częściowo. Trzecie koło (ciemnoszare) Znajduje się w miejscu, w którym Ziemia zasłania Słońce. W jednej linii: Słońce, Ziemia, Księżyc. W ten sposób ostatnie koło znajduje się w cieniu.

Na rysunku widać, że Księżyc znajduje się wtedy po przeciwnej stronie Ziemi niż Słońce, czyli jest w fazie pełni. 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 (możesz zobaczyć drugi, gdy przesuniesz klikając na strzałkę).

R1dLQHvkrPc87

Obserwator stojący we wskazanym miejscu na Księżycu widzi cały czas Ziemię nad głową. Położenie orbity Księżyca w stosunku do orbity Ziemi wokół Słońca – jeżeli Księżyc znajdzie się we wskazanym miejscu, to będzie w pełni ale nie wystąpi zaćmienie Księżyca.

R1KJoN5mrh6BO

Położenie orbity Księżyca, w którym może wystąpić zaćmienie pod warunkiem, że we wskazanym punkcie znajdzie się akurat Księżyc (na przedłużeniu linii Słońce Ziemia).

Stożek cienia całkowitego Ziemi to miejsce, gdzie nie powinny docierać promienie słoneczne. Tarcza Księżyca jest jednak widoczna podczas tego zjawiska. Dlaczego tak się dzieje?

RigFn6RiTYNWH

Księżyc w momencie bliskim całkowitego zaćmienia. Jest widoczny, ale przybiera barwę brunatno‑czerwoną.

RMxSnrbwxLnUO

Ilustracja przedstawia przejście promieni słonecznych przez atmosferę ziemską. Tło niebieskie. Po środku narysowano Ziemię. Wokół Ziemi znajduje się jasnoniebieska otoczka podpisana „atmosfera”. Nad Ziemią narysowano linię. Linia przechodzi przez ilustrację po skosie. Od lewej górnej części, do prawej dolnej części. Częściowo przecina „atmosferę”. Środek linii zbliżony jest do Ziemi, ale nie jest z nią styczny. W górnej części linia ma barwę białą, w części środkowej żółtą, w prawej czerwoną. Biała część linii podpisana: „światło białe”. Część czerwona podpisana: „światło czerwone”.

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.

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 Camille Flammarion w książce Astronomie Populaire.

RYWeI9RAknyJV

Zdjęcia przedstawiające dowód na kulistość Ziemi – cień na Księżycu podczas jego zaćmienia.

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 $365-405$ tysięcy kilometrów 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.

R1RzT12cFpdkz

Zdjęcie przedstawia powierzchnię Księżyca. Na środku największy krater - Kopernik dookoła widać kilka mniejszych kraterów.

Takich kraterów są tysiące. Największe znajdują się na powierzchni Księżyca niewidocznej z Ziemi. Największy krater to Hertzsprung, który ma średnicę prawie $600 \mathrm{km}$. Kratery meteorytowe mają bardzo łagodne stoki. Przy wysokości wału $1 \mathrm{km}$ ich szerokość może wynosić do $20 \mathrm{km}$. 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 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 selenografiiselenografiaselenografii, czyli działu astronomii zajmującego się opisem powierzchni Księżyca.

Ciekawostka

Już w $\text{1959}$ roku rozpoczęto badania Księżyca prowadzone w przestrzeni kosmicznej. W styczniu tego roku w pobliżu satelity Ziemi przeleciał statek kosmiczny Łuna $\mathrm{1}$, wysłany przez Radziecką Agencję Kosmiczną, a w październiku Łuna $\mathrm{3}$ 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.

R1dF6RDPBoQGg

Zdjęcie przedstawia astronautę na Księżycu. Powierzchnia Księżyca szara, piaszczysta. Po środku widoczny astronauta w skafandrze z flagą amerykańską na ramieniu. Astronauta stoi na wprost osoby, która wykonała zdjęcie. Astronauta stoi w rozkroku. W odbiciu przyłbicy widać robiącego zdjęcie.

R1URs4iU6ZvMo

Zdjęcia widocznej z Ziemi (z lewej strony) i nie widocznej półkuli Księżyca. Widoczne morza (ciemniejsze obszary) na półkuli zwróconej do Ziemi.

Powierzchnia Księżyca pokryta jest grubą warstwą drobnego regolituregolitregolitu. Składają się na niego zarówno odłamki skał powstałe w wyniku uderzeń meteorytówmeteorytmeteorytów, 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 półcieniu lub cieniu Ziemi.

Słownik

Biogramy

Jan Heweliusz28.01.1687Gdańsk28.01.1611Gdańsk

RH1uwV2bwv4DN

Ilustracja przedstawia obraz z podobizną Jana Heweliusza. Mężczyzna w wieku ok. 50 lat. Włosy do ramion, ciemne, falujące. Przedziałek po środku. Oczy ciemne. Nos długi, wyraźnie rozszerzający się. Usta czerwone. Wąsy czarne, końcówki podkręcone ku górze. Pod ustami krótka, trójkątna broda. Na włosach, wąsach i brodzie widoczne siwe pasma. Mężczyzna ubrany w brązowo‑złotą szatę. Pod szyją jasna chusta. Mężczyzna siedzi przy stole. Prawa ręka spoczywa na wielkiej księdze, w dłoni trzyma pióro. Lewa ręka spoczywa na stojącym obok przedmiocie, przypominającym globus. W tle widoczne regały z książkami.

Jan Heweliusz

1611.01.28 Gdańsk – 1687.01.28 Gdańsk

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