Warto przeczytać

Aby zrozumieć, czym są fazy Księżycafaza Księżycafazy Księżyca, najpierw musimy rozważyć jego ruch wokół Ziemi i Słońca.

KsiężycksiężycKsiężyc to ciało niebieskie okrążające Ziemię po eliptycznej orbicie. Wraz z Ziemią okrąża Słońce. Jest ciałem ciemnym, to znaczy nie świeci światłem własnym, podobnie jak planety i inne ciała niebieskie w Układzie Słonecznym. Jego orbita nachylona jest do płaszczyzny ekliptykiekliptykaekliptyki, czyli płaszczyzny zawierającej orbitę Ziemi i Słońce, pod kątem 5,14°. Ekscentrycznośćekscentryczność orbityEkscentryczność orbity jest niewielka, wynosi $e$ = 0,055. Oznacza to, że orbita kształtem jest bardzo zbliżona do koła, jej spłaszczenie jest niewielkie. Księżyc znajduje się 406 731 km od Ziemi w najdalszym punkcie orbity  (najdalsze apogeum), natomiast w punkcie najbliższym Ziemi (najbliższe perygeum) odległość do niej wynosi 364 397 km.

R17yVj9TKsQHX

Rys. 1. Ilustracja przedstawia rysunek kuli ziemskiej widocznej w postaci okręgu narysowanego niebieską linią z niebieskimi konturami kontynentów w środku. Na rysunku z lewej strony i wyżej niż rysunek kuli ziemskiej widoczny jest Księżyc w postaci szarego okręgu z ciemniejszymi szarymi plamkami w środku. Przez środek Ziemi przechodzą cztery linie. Jedna z nich jest czarna i biegnie poziomo. Opisano ją jako ekliptykę. Druga z nich jest również czarna i odchylona od ekliptyki o pięć stopni. Opisano ją jako orbitę Księżyca. Linia ta przechodzi przez środek Księżyca. Orbita Księżyca widoczna w postaci linii biegnie od górnej i lewej części ilustracji do dolnej i prawej części. Przez środek Ziemi przechodzą jeszcze dwie czarne i przerywane linie. Jedna z nich biegnie od prawej i górnej części ilustracji ku dolnej i lewej części. Jest odchylona od kierunku pionowego o dwadzieścia trzy i pół stopnia. Opisana ją jako oś obrotu Ziemi. Druga przerywana linia symbolizuje równik (na rysunku opisano równik niebieski Ziemi). Jest prostopadła do osi obrotu Ziemi i jest odchylona o dwadzieścia trzy i pół stopnia od kierunku poziomego.

Księżyc porusza się wokół Ziemi, ale razem z nią cały czas porusza się wokół Słońca. Z tego powodu musimy rozróżnić dwa okresy obiegu Księżyca. Jeden ściśle związany z orbitą wokół Ziemi – syderyczny, a drugi uwzględniający ruch układu Ziemia‑Księżyc wokół Słońca – synodyczny.

Okres (miesiąc) syderyczny, inaczej mówiąc gwiazdowy, Księżyca wynosi dokładnie 27 dni 7 godzin i 43 minuty. Jest to czas, jaki Księżyc potrzebuje, aby wykonać pełny obieg swojej orbity wokół Ziemi.

Miesiącem synodycznym nazywamy odstęp czasu pomiędzy kolejnymi nowiami Księżyca, czyli momentami, kiedy Ziemia‑Księżyc‑Słońce znajdują się w jednej linii, a Księżyc jest w środku.

Okres synodyczny wynosi 29,53 dni. Jest on o ponad dwie doby dłuższy od miesiąca syderycznego. Wynika to z ruchu całego układu Ziemia‑Księżyc wokół Słońca. Zarówno Słońce jak i Księżyc poruszają się z zachodu na wschód w swoim ruchu widomym (obserwowane z Ziemi). Księżyc przesuwa się znacznie szybciej. W ciągu doby Słońce na tle gwiazd przemieszcza się o około 1 stopień, natomiast Księżyc o około 13 stopni. Możemy powiedzieć, że obserwując ruch Słońca i Księżyca z powierzchni Ziemi, w ciągu miesiąca synodycznego Księżyc najpierw ucieka od Słońca, a w drugiej połowie tego miesiąca zaczyna się do Słońca zbliżać. Różnica pomiędzy tymi dwoma miesiącami wynika z tego, że Księżyc musi po wykonaniu pełnego obrotu na swojej orbicie, dodatkowo dołożyć dodatkowe dwie doby ruchu, aby znowu znaleźć się dokładnie pomiędzy Ziemią a Słońcem (patrz Rys. 2.).

R19voZ6hNjJi0

Rys. 2. Ilustracja przedstawia rysunek Słońca w postaci okręgu narysowanego szarą linią i orbity Ziemi wokół Słońca w postaci elipsy wokół Słońca. Orbita Ziemi narysowana jest czarną linią. Przez środek Słońca i orbity Ziemi przechodzi pozioma, czarna i przerywana linia opisana rzymską cyfrą jeden. W punkcie przecięcia tej linii z orbitą Ziemi widoczna jest Ziemia w postaci koła, którego lewa część jest biała a prawa czarna. Czarna połowa koła symbolizuje brak promieni słonecznych docierających do powierzchni. Ziemia porusza się po orbicie wokół Słońca w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara co zaznaczono czarną strzałką. Wokół Ziemi widoczna jest orbita kołowa Księżyca narysowana czarną linią. Księżyc znajduje się na przerywanej czarnej linii łączącej środki Słońca i Ziemi pomiędzy tymi ciałami niebieskimi. Księżyc widoczny jest również w postaci okręgu, którego lewa połowa jest biała a prawa czarna. Księżyc jest mniejszy od Ziemi. W tym położeniu Księżyc jest w fazie nowiu. Księżyc porusza się po orbicie wokół Ziemi również w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. W górnej i prawej części orbity widoczna jest Ziemia w innym położeniu. Ziemia znów widziana jest w postaci koła, którego połowa skierowana w stronę Słońca jest biała a przeciwna jest czarna. Przez środek Ziemi przechodzi czarna i przerywana linia, która biegnie aż do środka Słońca. Linię tę opisano rzymską cyfrą dwa. Na tej przerywanej linii pomiędzy Słońcem i Ziemią widoczny jest Księżyc w postaci czarnego koła, którego część skierowana do Słońca jest biała a część skierowana do Ziemi jest czarna. Księżyc w tym położeniu również jest w fazie nowiu. Położenie to oznaczono wielką literą B. Wielką literą A oznaczono położenie Księżyca na orbicie wokół Ziemi z lewej strony i u góry od położenia w fazie nowiu. W tym położeniu Księżyc widoczny jest w postaci czarnego koła z czarnym środkiem. Ze środka Ziemi wychodzi czarna i przerywana linia, która przechodzi przez środek Księżyca w położeniu wielka litera A przecina się z lewej strony orbity kołowej z przerywaną linią oznaczoną rzymską cyfrą jeden. Księżyc porusza się po orbicie kołowej w kierunku od punktu wielka litera A do punktu wielka litera B.

Znacząca odległość Słońca od układu Ziemia‑Księżyc sprawia, że promienie świetlne, padające na powierzchnię Księżyca, uznajemy za równoległe. Przez to oświetlona jest zawsze połowa tej powierzchni. Z Ziemi widzimy tylko jej część. Wskutek tego Księżyc widoczny jest w różnych fazach. Czyli Księżyc obserwowany z Ziemi może przechodzić przez fazy, które są wynikiem zmiany oświetlenia jego tarczy z punktu widzenia Ziemi.

Pełen cykl tych zmian zachodzi podczas miesiąca synodycznego. Oznacza to czas, po którym ciało niebieskie powróci do tego samego punktu w stosunku do dwóch innych ciał niebieskich, nie jest związany bezpośrednio z długością orbity. W przypadku Księżyca, punktem tym jest położenie względem Ziemi i Słońca.

Z obserwacji Księżyca możemy zauważyć, że po nowiu, czyli okresie niewidoczności, na zachodnim niebie tuż po zachodzie Słońca ma postać wąskiego sierpa. Wybrzuszenie znajduje się po prawej stronie (obserwując z Polski). Rośnie on stopniowo, a gdy Księżyc oddali się od Słońca o około 90° na niebie, widzimy połowę pełnej tarczy – jest to pierwsza kwadra. Wybrzuszenie cały czas jest z prawej strony. Z upływem czasu widzimy coraz większą część tarczy Księżyca. Gdy odległość kątowa między Słońcem a Księżycem na niebie wzrośnie do około 180° następuje pełnia. Jest to moment, gdy Księżyc znajduje się po przeciwnej stronie Ziemi niż Słońce. Po pełni Księżyc na nowo zaczyna zbliżać się w swoim ruchu obiegowym do Słońca. Widziana część tarczy Księżyca maleje. Gdy widzimy już tylko połowę tarczy, Księżyc znajduje się w odległości około 90° od Słońca na niebie następuje trzecia kwadra. Wyraźne wybrzuszenie jest już z lewej strony. Następnie widoczna część tarczy nadal maleje, Księżyc zbliża się na niebie do Słońca od zachodniej strony. Księżyc znika w postaci wąskiego sierpa, widocznego nad ranem. Minęło 29,5 dni i Księżyc na nowo wchodzi w fazę nazwaną nów, ponieważ na nowo będzie widoczna prawa strona jego tarczy. Cały cykl dobrze prezentuje Rys. 3.

R1NVJBpOopKfA

Rys. 3. Ilustracja przedstawia rysunek, w którego centralnej części widoczna jest Ziemia, jako błękitna kula z brązowozielonymi zarysami kontynentów i białymi obłokami przesłaniającymi jej powierzchnię. Wokół Ziemi widoczna jest w postaci poziomej, białej elipsy orbita Księżyca w zaznaczonymi pozycjami satelity w postaci szaro czarnych okręgów. Księżyc widoczny jest w ośmiu położeniach na orbicie co czterdzieści pięć stopni począwszy od kierunku poziomego. Po lewej stronie od Ziemi i orbity Księżyca widoczne jest Słońce w postaci ognistej kuli. W każdym położeniu połowa Księżyca skierowana do słońca jest biała a przeciwna jest czarna. Obok każdego położenia widoczne jest zdjęcie tarczy Księżyca w postaci szarej kuli z ciemniejszymi szarymi plamami na powierzchni. W położeniu Księżyca po prawej stronie od ziemi na tej samej wysokości co Ziemia, cała tarcza księżyca jest oświetlona i widoczna. Księżyc znajduje się w fazie pełni. W położeniu Księżyca po prawej i u góry od Ziemi, prawa ćwiartka tarczy księżyca jest zaciemniona. Księżyc znajduje się w fazie nazwanej garbem. W położeniu Księżyca u góry od Ziemi, prawa połowa tarczy księżyca jest zaciemniona. Księżyc znajduje się w fazie nazwanej ostatnią kwadrą. W położeniu Księżyca po lewej i u góry od Ziemi, tylko lewa ćwiartka Księżyca jest oświetlona. Księżyc znajduje się w fazie nazwanej sierpem. W położeniu Księżyca po lewej od Ziemi, Księżyc jest cały zacieniony co oznacza, że nie jest on widoczny z Ziemi. Księżyc znajduje się w fazie nazwanej nowiem. W położeniu Księżyca po lewej i u dołu od Ziemi, tylko prawa ćwiartka Księżyca jest oświetlona. Księżyc znajduje się w fazie nazwanej sierpem. W położeniu Księżyca u dołu od Ziemi, lewa połowa tarczy księżyca jest zaciemniona. Księżyc znajduje się w fazie nazwanej ostatnią pierwszą kwadrą. W położeniu Księżyca po prawej i u dołu od Ziemi, tylko lewa ćwiartka Księżyca jest zacieniona. Księżyc znajduje się w fazie nazwanej garbem.

Sierp Księżyca, widoczny albo wieczorem między nowiem i pierwszą kwadrą, albo ranem między ostatnią kwadrą a nowiem, jest zawsze zwrócony wypukłością w stronę Słońca, dzięki temu łatwo poznać, na jakim etapie znajduje się danej nocy Księżyc. Natomiast podczas pełni Księżyc świeci prawie całą noc wschodząc w przybliżeniu o zachodzie Słońca i zachodząc o wschodzie Słońca. Jak rozpoznać i łatwo zapamiętać, w której fazie znajduje się Księżyc? Wystarczy zapamiętać dwie zasady:

• jeżeli Księżyc przypomina literę D, czyli wybrzuszenie z prawej strony – widoczny sierp ma uwypuklenie z prawej strony, oznacza to, że Księżyc się Dopełnia, Dąży do pełni, czyli dąży do pierwszej kwadry (sierp) lub minął już pierwszą kwadrę („garbaty” Księżyc);

• Jeżeli Księżyc ma kształt zbliżony do litery C, czyli uwypuklenie jest z lewej strony to znaczy, że się Cofa, Chudnie – jest po pełni, czyli dąży do trzeciej kwadry (widać więcej niż pół tarczy) lub minął trzecią kwadrę (widać mniej niż pół tarczy).

Na półkuli południowej (czyli Ameryka Południowa, Afryka, Australia, Indonezja), ze względu na odwrócony obraz, reguły te obowiązują dokładnie odwrotnie.

Fazy innych ciał niebieskich

Jednak nie tylko nasz Księżyc przechodzi przez fazy, ale tylko te widzimy gołym okiem. Ponieważ fazy zależą od miejsca obserwacji i sposobu oświetlenia danego obiektu przez Słońce, wiele ciał niebieskich może mieć fazy, które widoczne są z innych niż Ziemia miejsc. Wszystkie ciała niebieskie Układu Słonecznego odbijają promienie słoneczne, nie świecą własnym światłem. Natomiast każdy obiekt, który okrąża Słońce, obserwowany z Ziemi może przechodzić przez fazy, które są wynikiem zmiany oświetlenia jego tarczy z punktu widzenia Ziemi.

Przez fazy widoczne z Ziemi przechodzą planety dolne, czyli takie, których orbity leżą bliżej Słońca od orbity Ziemi – Merkury i Wenus. To Galileusz przy pomocy swojego teleskopu w XVII wieku odkrył fazy Wenus. Ze względu na dużą odległość tej planety od Ziemi, faz tych nie możemy dostrzec nieuzbrojonym okiem. Okres obiegu Wenus wokół Słońca wynosi 224 dni, jednak w tym czasie Ziemia również okrąża Słońce w pewnej części swojej orbity. Okres synodyczny Wenus wynosi 584 dni. Oznacza to, że zanim Ziemia i Wenus będą z powrotem w takim samym ułożeniu względem Słońca musi upłynąć 2,6 wenusjańskich lat i 1,6 ziemskiego roku. Wenus jest w pełni, gdy znajduje się po przeciwnej stronie Słońca niż Ziemia – koniunkcjakoniunkcjakoniunkcja górna (widzimy całą tarczę Wenus), ma wtedy najmniejszą obserwowaną średnicę. W tym momencie Wenus znajduje się w jednej linii ze Słońcem i Ziemią, a z punktu widzenia Ziemi cała tarcza Wenus jest oświetlona. Natomiast, gdy znajduje się pomiędzy Ziemią a Słońcem – koniunkcja dolna - jest w nowiu, ma największą średnicę, ale nie możemy jej obserwować, ponieważ powierzchnia Wenus w tym położeniu nie odbija w stronę Ziemi promieni świetlnych. W czasie nowiu Wenus, przy pomocy teleskopów, możemy obserwować jasny pierścień – jest to światło rozpraszające się w gęstej atmosferze Wenus.

RaQKg0eBehqGB

Rys. 4. Ilustracja przedstawia rysunek Galileusza przedstawiający w górnej części tarcze Jowisza, Saturna i Marsa, a w dolnej fazy w jakich widoczna jest planeta Wenus z powierzchni Ziemi. Tarcza Jowisza widoczna jest u góry i po lewej stronie ilustracji. Narysowano ją w postaci okręgu narysowanego czarną linią, wpisanego w elipsę wydłużoną w kierunku poziomym i również narysowaną czarną linią. Po prawej i lewej stronie czarnego okręgu widoczne są dwa czarne i mniejsze półkola. Tarcza Saturna widoczna jest u góry ilustracji i w środkowej części. Narysowano ją w postaci okręgu o czarnej krawędzi. Tarcza marsa widoczna jest w prawej i górnej części ilustracji. Narysowano ją w postaci okręgu o czarnej krawędzi ale mniejszego od Saturna. Fazy w jakich widoczna jest tarcza Wenus narysowano w dolnej części ilustracji. Jest ich pięć jedna obok drugiej. Od lewej widoczne są fazy narysowane czarnymi liniami w postaci dużego półksiężyca wybrzuszonego z prawej strony i wklęsłego z lewej, mniejszego półksiężyca wybrzuszonego z prawej strony i wklęsłego z lewej, prawej połowy koła z pionową linią ograniczającą kształt, prawej połowy koła z pionową linią ograniczającą kształt mniejszej niż ta po lewej oraz w ostatniej fazie widoczna jest w postaci okręgu o czarnej krawędzi.

Analogicznie przez fazy przechodzi najmniejsza planeta Układu Słonecznego – Merkury. Jego okres orbitalny wynosi zaledwie 86 dni, natomiast okres synodyczny trwa prawie 116 dni. Jednak ze względu na bardzo niewielką odległość Merkurego od Słońca oraz niewielki jego rozmiar obserwacje faz tej planety są bardzo trudne.

Co ciekawe, każda planeta, oglądana z planety o większej orbicie będzie przechodzić przez fazy. Na przykład łazik Curiosity, badający powierzchnię Marsa, może obserwować fazy Ziemi, jeżeli wykona zdjęcia w dużym przybliżeniu. Ziemię z czerwonej planety widać podobnie jak Wenus na Ziemi – jako jasno świecący punkt. Każda sonda kosmiczna wystrzelona w przestrzeń kosmiczną do dalszych planet, jeżeli wykonywałaby zdjęcia Ziemi, widziałaby jej fazy, w zależności od tego, w którym miejscu swojej orbity byłaby Ziemia.

R5mUveww9b05I

Rys. 5. Ilustracja przedstawia widok Ziemi i Księżyca w powierzchni Marsa. Ziemia widoczna jest w prawym górnym rogu ilustracji, jako błękitna kula z brązowozielonymi zarysami kontynentów i białymi obłokami przesłaniającymi jej powierzchnię. Prawa połowa powierzchni Ziemi jest zacieniona. Księżyc widoczny jest w lewym i dolnym rogu ilustracji, jako szara kula mniejsza od Ziemi. Prawa połowa tarczy Księżyca również jest zacieniona.

Każdy księżyc okrążający swoją planetę przechodzi przez fazy zgodnie z jego miesiącem synodycznym, jeżeli obserwowalibyśmy go z planety macierzystej. Tak więc to, czy dane ciało niebieskie ma swoje fazy zależy tylko i wyłącznie od tego skąd je obserwujemy i jak w danym czasie jest oświetlane przez Słońce.

Słowniczek