Czas na fazy!

Czas czytania: 10 minut

Dzisiejszy wpis dotyczy pewnego zjawiska, zauważalnego przez każdego z nas. Jest to zjawisko tak powszednie, że przestaliśmy zwracać na nie uwagę. Przy okazji narosły wokół niego różne mity. Często nie zastanawiamy się nad jego prawdziwą naturą. Wbrew pozorom jest to jednak zjawisko dość skomplikowane z punktu widzenia mechaniki nieba.

Zjawiskiem tym są fazy obserwowanego obiektu.

Najbardziej oczywistym obiektem, do którego odnosimy to zjawisko jest Księżyc. Mówimy tu wtedy o „fazach Księżyca”. Fazy Księżyca nieco różnią się od obserwowanych faz innych obiektów astronomicznych, o czym za chwilę. Zacznijmy od początku.

Czym są fazy Księżyca? Jaka jest różnica między nowiem, a zaćmieniem Księżyca? No i czy na Księżycu występuje dzień i noc?

Po pierwsze, na samym początku trzeba powiedzieć to raz i porządnie. Fazy Księżyca NIE MAJĄ nic wspólnego z cieniem Ziemi. Jest to chyba najbardziej powszechny mit dotyczący tego zjawiska. No to już mamy wyjaśnione. Skąd się zatem biorą?

Odpowiedź na to pytanie wcale nie jest taka prosta i oczywista. Na obserwowane fazy Księżyca wpływ ma przede wszystkim jego ruch obiegowy wokół Ziemi. Jednak bardzo istotny jest również jego obrót wokół własnej osi. To odróżnia właśnie fazy Księżyca od obserwowanych faz innych obiektów.

Ruch Księżyca w przestrzeni jest bardziej skomplikowany niż ruch Ziemi. Wiąże się to z tym, że oprócz ruchu wokół własnej osi i ruchu obiegowego wokół Słońca, dochodzi jeszcze ruch obiegowy wokół Ziemi.
W najprostszym ujęciu fazy Księżyca związane są z tym ostatnim. W czasie kiedy Księżyc położony jest między Ziemią a Słońcem mamy nów, w czasie kiedy Księżyc jest po jednej stronie Ziemi a Słońce po drugiej – mamy pełnię. Nów nie jest zatem cieniem Ziemi, jest to po prostu sytuacja, gdy strona zwrócona w stronę Ziemi, nie jest w ogóle oświetlona. Na stronie Księżyca widocznej z Ziemi panuje noc.

Wydawałoby się, że na tym mogę zakończyć, fajnie rozchodzimy się… Otóż nie. Dlaczego zatem kiedy Księżyc jest pomiędzy Ziemią i Słońcem nie mamy zawsze zaćmień Słońca, a kiedy Ziemia jest pomiędzy Księżycem i Słońcem nie mamy zawsze zaćmień Księżyca?

Odpowiedzią na to pytanie jest nachylenie orbity Księżycowej wokół Ziemi (tzw. inklinacja). Nachylenie to wynosi nieco ponad 5° względem orbity Ziemi. Dzięki temu Księżyc jest zazwyczaj nieco nad lub pod prostą linią Ziemia-Słońce. Dzięki temu nie mamy zaćmień Słońca lub Księżyca za każdym razem.
Jednak orbita Księżyca przecina tę „prostopadłą linię” (przechodzi przez płaszczyznę Ziemia-Słońce). Miejsca te są nazywane węzłami księżycowymi.

Zaćmienie Słońca występuje tylko wtedy kiedy Księżyc akurat jest w nowiu i przechodzi przez punkt przecięcia płaszczyzny – mamy wtedy pełne zaćmienie Słońca. Częściej jednak Księżyc w nowiu przechodzi blisko punktu przecięcia ale niedokładnie. Istnieje kilka rodzajów zaćmień Słońca: całkowite, częściowe, obrączkowe i hybrydowe. To jakie zaćmienie zaobserwujemy zależy od kilku czynników:

– oczywiście od stopnia zakrycia Słońca przez Księżyc;
– rodzaju strefy cienia w jakiej znajdzie się obserwator na Ziemi (strefa cienia, półcienia);
– kąta obserwacji Słońca z Ziemi;
– samego kształtu Ziemi i miejsca obserwacji.

Podobnie sytuacja wygląda odnośnie zaćmień Księżyca. Występuje ono wtedy, kiedy Księżyc znajduje się w pełni i przechodzi akurat przez płaszczyznę – zaćmienie całkowite Księżyca. Jest to też jedyna sytuacja, kiedy na Księżyc faktycznie pada cień Ziemi. Podobnie jak w przypadku zaćmień Słońca, częściej jest jednak tak, że Księżyc przechodzi blisko punktu przecięcia płaszczyzny, ale niedokładnie przez niego – mamy wtedy do czynienia z zaćmieniem częściowym Księżyca. W przypadku zaćmień Księżyca istnieje wiele jego wariantów, związanych zarówno z intensywnością padanego cienia Ziemi (cień pełny, półcień), oddaleniem Księżyca od Ziemi (orbita Księżyca nie jest idealnie kołowa o czym jeszcze trochę za chwilę), wysokością Księżyca nad horyzontem, a nawet porą dnia. To ostatnie jest wyjątkowo interesujące i polega na zaćmieniu Księżyca, przy jednoczesnej obecności Słońca na niebie (zjawisko nosi nazwę selenelionu). Księżyc nie ma nic wspólnego z cyklem dnia i nocy na Ziemi, może więc być widoczny w dzień.

No dobrze, a gdzie w tym wszystkim jest dzień i noc na Księżycu? Czy na Księżycu jest w ogóle dzień i noc? Tak, na Księżycu jest dzień i noc i jest to ściśle związane z fazami jakie obserwujemy z Ziemi. Księżyc jest zablokowany pływowo z Ziemią. Co oznacza, że jedna jego strona zawsze zwrócona jest w stronę Ziemi. Księżyc obraca się jednak wokół własnej osi, a obrót ten jest zsynchronizowany z jego obiegiem wokół Ziemi.

Tutaj zaczynają się żarty. W ruchu obiegowym Księżyc „zatoczy” 360° w czasie 27 dni 7 godzin 43 minut 11,5 sekundy – jest to tzw. miesiąc gwiazdowy, syderyczny… Problem polega na tym, że dla obserwatora z Ziemi, Księżyc nie wróci w tym czasie do punktu początkowego. Wynika to z ruchu obiegowego Ziemi i Księżyca wokół Słońca. Mimo, że Księżyc teoretycznie wykona pełny obieg, to Ziemia mu trochę „ucieknie” i dla obserwatora ruch ten się jeszcze nie zakończy. Pełne domknięcie ruchu nastąpi w ciągu 29 dni 12 godzin 44 minut i 3 sekund. Widzimy więc, że Księżyc potrzebuje ok. 2 dni na „dogonienie” pozycji. Ten drugi okres nazywany jest miesiącem synodycznym, księżycowym. Jest to czas od nowiu do nowiu. Pokrywa się on również niemal doskonale z cyklem dnia i nocy na Księżycu trwającym ok. 29,5 dnia. Wynika z tego, że na prawie każdym miejscu Księżyca, dzień i noc trwają po ok. 14 dni ziemskich. Z racji tego, że pełny obieg Księżyca (przyjmijmy synodyczny) trwa zazwyczaj krócej niż nasz miesiąc kalendarzowy, możliwa jest sytuacja wystąpienia dwóch pełni w miesiącu (zjawisko nosi nazwę niebieskiego księżyca).

Trzeba również wspomnieć o tym, że to jak widzimy Księżyc, ściśle zależy również od tego, gdzie na Ziemi się znajdujemy. Niebo obserwowane na półkuli południowej jest inne od tego, jakie możemy obserwować my na północy. Dotyczy to również Księżyca. Chyba łatwiej to pokazać niż opisać.

To jednak nie wszystko. Księżyc nie jest przyklejony „na twardo” do nieba. Podczas cyklu obserwacji zdaje się lekko „kiwać” na boki. Oczywiście, aby zaobserwować ten efekt należy obserwować Księżyc przez dłuższy czas, najlepiej nagrywając go lub wykonując zdjęcia. Zauważymy wtedy, że Księżyc uchyla nam rąbka swojej drugiej półkuli. Dzieje się tak za sprawą zjawiska zwanego libracją. Na librację optyczną Księżyca, mają wpływ głównie dwa czynniki: niekołowa orbita Księżyca wokół Ziemi oraz nachylenie jego osi obrotu (nachylenie wobec jego orbity wokół Ziemi oraz wobec orbity Ziemi wokół Słońca). Dzięki libracji udało się sfotografować ok. 59% powierzchni Księżyca z Ziemi. Reszta nigdy nie jest widoczna, ani z naszej półkuli północnej, ani południowej.

Ale to jeszcze nie koniec. Otóż odległość Księżyca wokół Ziemi nie jest stała w czasie. Odległość ta zmienia się cyklicznie, co również związane jest z niekołową orbitą wokół Ziemi. Księżyc faktycznie więc czasem wydaje się większy, ponieważ fizycznie jest bliżej Ziemi. Gdy Księżyc występuje w pełni akurat wtedy, gdy znajduje się najbliżej Ziemi, nazywany jest Superksiężycem. Księżyc wydaje się wówczas nawet 14% większy. Zjawisko to spotęgowane jest, gdy Księżyc znajduje się nisko nad horyzontem. W grę wchodzi wówczas dość dobrze poznane złudzenie optyczne, które sprawia, że obiekty nad horyzontem wydają się większe.

https://svs.gsfc.nasa.gov/5187/ – przewidywany widok z półkuli północnej na cały rok 2024, uwzględniający librację i odległość Księżyca od Ziemi. Grafika w górnym lewym rogu wskazuje również orientacyjne położenie Słońca (żółta strzałka) i punkt barana. Grafika w dolnym lewym rogu pokazuje pozorny ruch osi obrotu Księżyca. Drugi film jest z dźwiękiem.

https://svs.gsfc.nasa.gov/5188 – przewidywany widok z półkuli południowej na cały rok 2024 – pozostałe elementy jak wyżej.

Oba filmy zostały przygotowane dzięki obserwacjom LRO – Lunar Reconnaissance Orbiter.

Księżyc obserwowany z Ziemi przechodzi fazy. Ale co równie ciekawe, Ziemia obserwowana z Księżyca również przechodzi fazy. Fazy Ziemi obserwowane z Księżyca są odwrotnością faz Księżyca obserwowanych w tym czasie z Ziemi. Jeśli więc z Ziemi, Księżyc będzie w nowiu, to w tym samym czasie Ziemia obserwowana z Księżyca będzie w pełni (i odwrotnie). Co ciekawe fakt ten, ma znaczenie dla obserwacji Księżyca  z Ziemi. Otóż dzięki temu Księżyc, nawet gdy jest w nowiu, jest widoczny z Ziemi. Jest bowiem oświetlany światłem Ziemi. Co ciekawe najsilniejszy wpływ światła Ziemi na Księżyc można zaobserwować podczas sierpa półksiężyca. Gdy widoczna strona Księżyca jest nieco oświetlona przez Słońce, a pozostała część tej strony oświetlona jest przez Ziemię. Należy pamiętać, że Ziemia jak i fazy przez które przechodzi, będą widoczne tylko po stronie Księżyca, która jest widoczna z Ziemi. Z drugiej (niewidocznej) strony Księżyca, Ziemia nigdy nie jest widoczna.

Inne obiekty w Układzie Słonecznym również przechodzą przez fazy. Dotyczy to obiektów, które są bliżej Słońca niż Ziemia i jest związane z kątem obserwacji tych obiektów. Najbardziej zauważalnymi są oczywiście fazy Wenus i Merkurego. Widoczne fazy tych obiektów są związane z ich ruchem obiegowym wokół Słońca i tym, w którym miejscu orbity względem Słońca i nas w danym momencie się znajdują.
W przypadku Merkurego jego fazy nie ułatwiają obserwacji. Podczas pełni jest on mały, znajduje się po przeciwnej stronie Słońca i wschodzi i zachodzi razem z nim – jest jednak dość jasny. Podczas nowiu jest w zasadzie niewidoczny (z wyjątkiem tranzytów na tle tarczy Słońca – do obserwacji których wymagany jest bardzo dobry teleskop z odpowiednim filtrem), w tym przypadku również wschodzi i zachodzi ze Słońcem. W przypadku Merkurego najlepszymi momentami obserwacji są jego kwadry. W przypadku Merkurego łatwiej obserwować go z półkuli południowej niż północnej (RPA, Argentyna). Związane jest to z kątem przecięcia obserwowanego horyzontu przez orbitę Merkurego.
Wenus w fazie pełni znajduje się w bardzo niekorzystnym punkcie do obserwacji, najdalej od Ziemi i po przeciwległej stronie Słońca. Podczas nowiu jest największa, da się wówczas obserwować obwódkę jej atmosfery. Tranzyty Wenus przez tarczę Słońca (bezpośrednie przejście między Ziemią, a Słońcem) są w zasadzie dużo rzadsze niż zaćmienia Słońca czy Księżyca. Jest to związane z nachyleniem jej orbity względem orbity Ziemi. Następny tranzyt Wenus będzie miał miejsce dopiero w 2117 r. Tranzyty Merkurego, Wenus i innych mniejszych obiektów wewnętrznych są w zasadzie częściowymi zaćmieniami Słońca.

Z punktu widzenia obserwatora na Marsie, Ziemia również przechodzi przez fazy (różnią się jednak one od tych, obserwowanych z Księżyca, są związane z ruchem obiegowym Ziemi wokół Słońca).
Planety i obiekty znajdujące się dalej od Słońca niż Ziemia, nie przechodzą faz. Z punktu widzenia Ziemi, zawsze są oświetlone przez Słońce (nigdy nie są pomiędzy Słońcem, a Ziemią).

Może się jednak zdarzyć, że pod pewnym kątem nie zauważymy oświetlenia całej planety będącej dalej od Słońca niż Ziemia. Zdarza się to tylko w określonej konfiguracji Ziemi i obserwowanego obiektu. Obiekt ten nie przechodzi przez fazy, ale możliwa jest sytuacja, że będzie lekko „ucięty”. Zdarzają się więc np. zdjęcia nieco „garbatego” Marsa wykonane z Ziemi. Istnieją również zdjęcia odleglejszych obiektów od Słońca niż Ziemia, przechodzące przez fazy. Zdjęcia te wykonane są z odległych satelit.

Fazy są zatem zjawiskiem wynikającym z położenia obserwowanego obiektu, a także kąta obserwacji tego obiektu. Dają nam okazję do wykonywania ciekawych pomiarów i przyczyniają się do lepszego poznania mechaniki nieba. Są interesującym zjawiskiem astronomicznym, które mamy „tuż pod nosem”. Warto więc czasem zerknąć w górę i pomyśleć o naszym starym, niestrudzonym towarzyszu – Księżycu.