Co można wypatrzeć na Księżycu i jak go obserwować? Nie tylko jego fazy są interesujące.

Księżyc jak to Księżyc, dla laika, to naturalny satelita Ziemi, który nocą świeci (a w praktyce odbija światło Słońca), ma fazy (ale nie związane z nastrojem), w tym nów i pełnię, a czasem ulega zaćmieniom (ale nie umysłu). Tak, to wiedza można powiedzieć powszechna, tak jak ta, że nieznacznie zmieniająca się odległość od Ziemi wpływa na jego kątowy rozmiar na niebie, a tym samym od czasu do czasu mamy „ogromne” super księżyce w pełni.

Kolejne kwadry, pełnie i nowie, to charakterystyczne momenty w ciągu miesiąca, które wiążą się z Księżycem. Zna je chyba każdy. Lecz nie tylko one są ciekawe. Ważne są też libracje i zmiany położenia Księżyca na niebie w ciągu kolejnych nocy, tygodni i miesięcy

Rzadziej zdajemy sobie sprawę, że wygląd jego tarczy w tych samych momentach kolejnego obiegu wokół Ziemi nie jest taki sam. Dopiero gdy zrobimy zdjęcia Księżyca w odstępie kilku miesięcy, dostrzeżemy, że trochę się zmienia.

Księżyc w różnych fazach, czyli momentach miesiąca synodycznego, który określa czas od nowiu do nowiu i trwa około 29,5 dnia

I nie chodzi to o fakt, że obserwując Księżyc z różnych miejsc na Ziemi widzimy go w innej orientacji na niebie. Na przykład w Australii będzie on wydawał się nam do góry nogami w stosunku do tego co widzimy z Polski. A o zjawisko wahań położenia osi obrotu księżyca względem obserwatora. Określa się je mianem libracji.

W efekcie niektóre obszary powierzchni Księżyca, które w przypadku jego idealnie kołowej orbity wokół Ziemi nie byłyby widoczne, niejako wychylają się i podlegają obserwacjom z Ziemi, a my teoretycznie możemy w ten sposób zajrzeć na drugą stronę Księżyca.

Wpływ libracji Księżyca na widoczność jego powierzchni

Libracje sprawiają, że dla obserwatora księżyc kołysze się zarówno na boki jak i do góry i do dołu. Te pierwsze kołysanie wiąże się z rozbieżnością tempa obrotu Księżyca wokół własnej osi, a tempa obiegu po eliptycznej orbicie wokół Ziemi. To drugie kołysanie wynika z faktu, że oś obrotu Księżyca wokół własnej osi nie jest prostopadła do płaszczyzny jego orbity. Ta z kolei jest nachylona względem ekliptyki, czyli płaszczyzny, w której Ziemia porusza się wokół Słońca lub my obserwujemy pozorny ruch Słońca na ziemskim niebie.

Obejrzyj w

Pewne odchylenia wynikają również z oddziaływania grawitacyjnego Ziemi i Słońca, precesji osi obrotu Księżyca, ale te tzw. libracje fizyczne, a nie efekty optyczne, mają mniejszy wpływ na zmianę widoczności powierzchni Księżyca. Wideo powyżej pokazuje wspomniane kołysanie się Księżyca i zmianę rozmiaru kątowego na niebie w ciągu 2015 roku. Widać na nim doskonale zmieniającą się widoczność struktur na powierzchni w miarę zmiany kąta padania promieni słonecznych.

Ile powierzchni Księżyca widzimy w danej chwili, a ile w ogóle?

Po pierwsze należy pamiętać, że Księżyc nie jest obiektem płaskim, a kulistym. Dlatego w danej chwili zawsze widzimy nie 50% jego powierzchni, a 49,7%. Kołysanie się osi obrotu Księżyca sprawia, że sumując obserwacje wykonane w ciągu 6 lat (tyle trwa cykl zmian libracyjnych) dostrzeżemy nawet więcej niż 50% powierzchni. Dokładnie będzie to 59%.

Tym samym niewidoczne obserwacjom z Ziemi pozostaje jedynie 41% powierzchni Księżyca. Trzeba tu oczywiście pamiętać, że rejony położone blisko krawędzi tarczy są obserwowane pod dużym kątem, w przeciwieństwie do obszarów położonych pośrodku widocznej z Ziemi powierzchni Księżyca.

Dwie pełnie w odstępie około pół roku. Księżyc niby taki sam, a jednak trochę inny

Libracje sprawiają, że wygląd Księżyca w kolejnej pełni nie jest dokładnie taki sam jak miesiąc wcześniej. Dotyczy to również kolejnych faz, bo można założyć, że nawet z nowiu widać cały Księżyc z Ziemi. Lecz jako nieoświetlony przez Słońce jest on bardzo słabo widoczny. Ze względu na ogromny kontrast pomiędzy jasnością nieba a tarczy Księżyca, delikatnie oświetlonej przez światło odbite od Ziemi.

Dlatego warto, tak jak opisywałem to w tekście o najlepszej porze na fotografowanie Księżyca, obserwować go przez cały rok, bo jego wygląd nieznacznie, ale stale się zmienia. Te zmiany w ciągu 2022 roku (datę widać w prawym dolnym rogu filmu) doskonale wizualizuje poniższa animacja z naniesionymi pozycjami interesujących miejsc.

Obejrzyj w

Księżyc zmienia znacznie swoje położenie na niebie. W przestrzeni jak i w czasie. Porusza się inaczej niż gwiazdy

Wspomniane nachylenie orbity księżyca do orbity ekliptyki i zmiana położenia wyznaczających je płaszczyzn w ciągu roku prowadzi także do znacznych zmian maksymalnej wysokości Księżyca nad horyzontem. Wpływa to także na orientację tarczy Księżycowej względem obserwatora, gdy decydujemy się go obserwować w różnych porach dnia lub nocy, dlatego raz dany krater wydaje się być po prawej jej stronie, innym razem na górze.

Księżyc tuż nad zachodnim horyzontem zależnie od fazy i pory dnia, może prezentować się zgoła odmiennie. O zmroku tuż po nowiu to efektowny sierp przypominający literkę D, a o świcie można go przyłapać w pełni jako lekko spłaszczone i żółtawe O

Księżyc w przeciwieństwie do Słońca na ziemskim niebie pojawia się zarówno nocą jak i za dnia. Ten dzienny Księżyc jest oczywiście dużo trudniejszy do obserwacji, ale warto zapolować na niego w okolicach zachodu Słońca lub przed jego wschodem.

Odszukanie Księżyca na niebie samo z siebie jest niezłą rozrywką, ale dla leniwych jest też odpowiedni kalkulator. Proponujemy witrynę timeanddate.com, która pomimo angielskojęzycznego interfejsu, jest wyjątkowo dobrym źródłem informacji nie tylko o widoczności Księżyca.

Pozycję Księżyca na niebie wygodnie określimy z pomocą witryny www.timeanddate.com. Podajemy tam nazwę naszej miejscowości, a potem dla każdego dnia miesiąca dostajemy wykres, który pokazuje datę wschodu (1) i zachodu (2) Księżyca. Po kliknięciu na dany dzień, umieszczamy kursor myszy na wykresie (3) dla danej godziny (4), by odczytać wysokość (5) i kierunek (6) pod jakim widać Księżyc

I tak Słońce zmienia swoją maksymalną wysokość nad horyzontem w ciągu dnia w Polsce mniej więcej od 15,5 (przesilenie zimowe) do 62,5 stopnia (przesilenie letnie). Księżyc z kolei może znaleźć się w danym momencie o 5,1 stopnia wyżej lub niżej niż Słońce. W efekcie Księżyc w Polsce góruje na wysokościach od jedynie 10,4 (= 15,5 - 5,1) do aż 67,6 (= 62,5 + 5,1) stopni kątowych nad horyzontem (wartości dla centralnej Polski).

Dlatego czasem przez całą noc widać go bardzo nisko, a czasem zachowuje się on jak nocna latarnia nad naszymi głowami. Zmiany te na dodatek zachodzą częściej niż w cyklu rocznym, co ma miejsce w przypadku Słońca.

Decydując się na obserwacje Księżyca warto zdawać sobie sprawę, że każdego dnia wschodzi on około 50 minut później. W efekcie jego pozycja względem innych ciał niebieskich ulega cofnięciu o około 13 stopni kątowych w kierunku wschodnim

Zmiana położenia Księżyca na niebie względem gwiazd i innych planet Układu Słonecznego prowadzi do ciekawych konfiguracji, przesłonięć dalszych obiektów, które są ciekawym źródłem informacji o samym Księżycu. A zatem w przypadku Księżyca mamy więcej ciekawych zjawisk niż tylko głośno ogłaszane co pewien czas pełnie i super pełnie. O krzykliwych nazwach wynikających z historycznych i kulturalnych uwarunkowań.

Teraz skoro potrafimy bardziej świadomie spojrzeć się na tarczę Księżyca, warto jeszcze poszukać na niej kilku interesujących miejsc. Związanych z aktywnością człowieka, albo natury.

Warto też rozważyć obserwacje i fotografowanie w chwilach, gdy Księżyc jest w jednej z faz, a nie w pełni. Wtedy dostrzeżemy więcej kraterów, gdy ich krawędzie są podświetlone kątowo, zamiast na wprost.

Ciekawe miejsca na powierzchni Księżyca

Na animacji pokazującej Księżycowe libracje oznaczone są także ciekawe miejsca na powierzchni naszego satelity. W tym kratery, morza (pokryte zastygłym bazaltem równiny, widoczne jako ciemne plamy, większość z nich powstała od 3,5 do 3 miliardów lat temu, ale są tez starsze jak i znacznie młodsze), góry i miejsca lądowania pojazdów z Ziemi, w tym załóg Apollo.

Na Księżycu wyróżnia się także jeziora, zatoki, są nawet bagna. To wciąż utwory o wulkanicznej naturze, a odmienne nazewnictwo wskazuje na mniejsze rozmiary niż mórz i jest analogiem nazw stosowanych dla wodnych akwenów na Ziemi. Łańcuchy kraterów, powstałych w wyniku upadku ciągu meteoroidów, znajdujące się w jednej linii, noszą nazwę catena. Z kolei łańcuchom górskim często nadawano nazwy przypominające miejsca na ziemi, czyli Alpy Księżycowe, Kaukaz. Szczególnie ciekawie prezentują się góry wokół morza Deszczów.

Astronauta misji Apollo 15 i wzniesienie Mons Huygens w tle

Poniżej orientacyjna lokalizacja na widocznej z Ziemi tarczy Księżyca i cechy charakterystyczne najważniejszych struktur.

• (POS) krater Posejdonios - położony na północo-wschodniej krawędzi morza Jasności,
• (MAN) krater Manilius - położony poniżej morza Jasności, po przeciwnej stronie co Posejdon,
• (PYT) krater Pyteasz - na południu morza Deszczu,
• (ART) krater Arystoteles - blisko południowej krawędzi Morza Zimna,
• (EUD) krater Eudoksos - położony poniżej krateru Arystoteles,
• (KOP) krater Kopernik - położony trochę na lewo od środka tarczy księżyca, jeden z dwóch najlepiej widocznych kraterów na powierzchni o średnicy 107 km, otoczony ciemnymi powierzchniami księżycowych mórz,
• (KEP) krater Kepler - na lewo i trochę na południe o Kopernika, mniejszy od tego krateru,
• (ARY) krater Arystarch - na lewo i trochę do góry od Keplera i Kopernika, rzuca się w oczy jako bardzo jasna plamka,
• (TYC) krater Tycho - położony blisko południowej krawędzi widocznej części księżyca, o średnicy ponad 100 km, drugi z najlepiej widocznych kraterów z charakterystycznym wzniesieniem pośrodku, od którego rozchodzą się promieniście linie (dobrze widoczne przez lornetkę) utworzone przez materiał wyrzucony podczas uderzenia,
• (GRI) krater Grimaldi - położony blisko zachodniej krawędzi księżyca, o mocno zerodowanych ścianach, z ciemnym wnętrzem,
• (BYR) krater Byrgius - położony blisko zachodniej krawędzi Księzyca, ale poniżej krateru Grimaldi, dla obserwatora wydaje się jaśniejszy niż otoczenie,
• (LAN) krater Langrenus - widoczny jako jasna plama blisko wschodniej krawędzi widocznej z Ziemi części Księżyca, na prawej krawędzi morza Obfitości,
• (STE) krater Stevinus - poniżej krateru Langrenus, podobny kształtem, ale nie styka się z żadnym z mórz,
• (PET) krater Petawiusz - pomiędzy kraterami Langrenus i Stevinus, doskonale widoczny, gdy Księżyc jest tuż po nowiu,
• (PLA) krater Platon - charakterystyczny ciemny krater o idealnie okrągłym kształcie położony na górnej krawędzi morza Deszczów, przecina także pasmo gór Alp Księzycowych,
• (SCH) krater Schickard - krater w zachodnio - południowej części Księzyca blisko jego krawędzi, wydaje się mocno wydłuzony,
• (OB) ocean Burz - znajduje się po lewej stronie księżyca, na lewo od krateru Kopernik, największe z mórz księżycowych o powierzchni 4 milionów km2, czyli mniej więcej dwa razy większej niż powierzchnia Meksyku,
• (MD) morze Deszczów - ciemny obszar ponad kraterem Kopernik, otoczony z trzech stron górami, jest to największy basen uderzeniowy (w domyśle pozostałość po kraterze) na widocznej z Ziemi stronie Księżyca,
• (GA) góry Apeniny - otaczają morze Deszczów od dołu i prawej strony, oddziela je od morza Jasności, w Apeninach znajduje traktowana jako najwyższa góra na Ksieżycu, Mons Huygens, o wysokości 5,5 kilometra (podobną wysokość ma na Ziemi Elbrus, najwyższy szczyt Kaukazu),
• (MJ i MS) morze Jasności i morze Spokoju - dwa stykające się ze sobą koliste obszary, położone nieco na prawo od środka tarczy księżycowej,
• (MO) morze Obfitości - położone na prawo od morza Spokoju, na przedłużeniu linii łączącej to morze z morzem Jasności i kraterem Platon,
• (MP) morze Przesileń – blisko prawej krawędzi Księżyca, zbliżone kształtem do okręgu, ponad morzami Spokoju i Obfitości,
• (MN) morze Nektaru - niewielkie na południowy zachód od morza Obfitości,
• (MC) morze Chmur - na północ i trochę na zachód od krateru Tycho,
• (MW) morze Wilgoci - na zachód, w pobliżu morza Chmur,
• (MZ) morze Zimna - podłużne w zachodnio - północnej części Księżyca.

Dla wygody poniżej mapki z zaznaczonymi pozycjami ciekawych miejsc, numery odnoszą się do listy. Kierunki lewo (na Księżycu zachód), prawo (na Księżycu wschód), góra (północ), dół (południe) odnoszą się do orientacji Księżyca na tej mapce.

Osoby, które nie negują lądowania człowieka i innych pojazdów na Księżycu zainteresuje też inna mapka, na której widać miejsca gdzie doszło do danych zdarzeń. Poniżej lista miejsc lądowania i ich daty. Zwróćcie uwagę, że w 1970 roku program Apollo miał przerwę w lotach, ze względu na problemy misji Apollo 13, doskonale pokazanych w filmie o tym samym tytule. A także fakt, że większość lądowników pojawiła się na Księżycu już kilkadziesiąt lat temu. W późniejszych dekadach skupiliśmy się na obserwacjach Księżyca z jego orbity.

Najświeższą perspektywę, ze względu na badania na powierzchni, mają obecnie Chiny. Ich łazik Yutu-2 od 2018 roku przemierza niewidoczną część Księżyca i ma ciekawe przygody.

• (A11) Apollo 11, 20.07.1969 - na dole i po lewej stronie morza Spokoju,
• (A16) Apollo 16, 27.04.1972 - nieco bardziej na lewo i na dół od miejsca lądowania Apollo 11,
• (A17) Apollo 17, 11.12.1972 - na styku mórz Jasności i Spokoju,
• (A15) Apollo 15, 7.08.1971 - na górzystym terenie pomiędzy morzami Deszczów i Jasności,
• (A12 i A14) Apollo 12 i 14, 24.11.1969 i 5.02.1971 - położone dość blisko siebie, trochę poniżej krateru Kopernik,
• (C3) Chang’e 3, 3.01.2019 - w górnej części morza Deszczów, lądownik dostarczył Yutu pierwszy chiński łazik księżycowy,
• (C5) Chang’e 5, 1.12.2020 - w pobliżu lewej krawędzi Księżyca ponad kraterem Arystarch, w ramach chińskiej misji przywieziono na Ziemię próbki skał księżycowych,
• (L9) radziecka Łuna 9, 3.02.1966 - blisko lewej krawędzi Księżyca, na przedłużeniu linii łączącej kratery Kopernik i Kepler, pierwsze udane lądowanie, a nie kraksa, na Księżycu,
• (L17) radziecka Łuna 17, 17.11.1970 - pomiędzy punktami C3 i C5, z lądownika zjechał łazik Łunochod 1, który pokonał 10 km po Księzycu,
• (L21) radziecka Łuna 21, 15.01.1973 - obok punktu A17, czyli miejsca lądowania Apollo 17, z lądownika zjechał łazik Łunochod 2, który przejechał 37 km po Księzycu,
• (L24) radziecka Łuna 24, 9.08.1976 - ostatnie radzieckie lądowanie na Księżycu, przywieziono 0,17 kg próbek,
• (S1) Surveyor 1, 2.06.1966 - nieco poniżej krateru Kepler, to miejsce pierwszego udanego lądowania USA na powierzchni Księżyca,
• (S7) Surveyor 7, 7.01.1976 - ostatnie lądowanie USA na Księżycu.

Wspomniane powyżej lądowniki to nie jedyne wysyłane na Księżyc, były jeszcze inne Łuny i Surveyory, którym udało się wylądować. Tak samo jak wiele udanych lądowań, tak dużo było i nieudanych misji. Niektóre kończyły się jeszcze na Ziemi, inne nieplanowanym rozbiciem pojazdów na Księżycu.

Lądownik Orzeł z misji Apollo 11 na wyostrzonym zdjęciu z orbitera LRO

Pięć misji, Apollo 11, 14, 15 oraz Luna 17 i 21, pozostawiły na powierzchni Księżyca retroreflektory. Nie zobaczycie ich nawet przez lunetę, ale to właśnie one są wykorzystywane do laserowych pomiarów odległości Ziemia - Księżyc. Dzięki nim obliczono także stopień fizycznych libracji Księżyca.

I jeszcze jedna zagadka na koniec. Dlaczego druga strona Księżyca ma więcej kraterów?

To pytanie wcale nie jest głupie, bo faktycznie tzw. daleka strona Księżyca wygląda kompletnie inaczej niż strona zwrócona cały czas w kierunku Ziemi. Czasem błędnie określana jest ona ciemną, bo jest tam ciemno tylko w czasie pełni. Gdy na Ziemi mamy nów, to z kolei niewidoczna strona jest w pełni oświetlona.

Tak duża liczba kraterów na niewidocznej z Ziemi stronie Księżyca na pierwszy rzut oka może świadczyć o tym, że uderzenia meteorów od strony przeciwnej do Ziemi były w przeszłości częstsze, a od strony zwróconej do Ziemi rzadsze, bo nasza planeta pełniła rolę tarczy ochronnej. To jednak błędne rozumowanie, choć kiedyś akceptowane także przez astronomów. Obecnie różnice tłumaczy się przeszłością geologiczną Księżyca w początkach jego istnienia.

Na odległej stronie szybciej wytworzyła się skorupa i jest ona grubsza. Na stronie widocznej z Ziemi, ta warstwa jest cieńsza. Uderzenia meteorów i asteroid łatwiej penetrowały tutaj skorupę i doprowadzały do ewentualnych wypływów lawy bazaltowej. Wygładzała ona powierzchnię a po zastygnięciu tworzyła tak zwane morza (kiedyś uważano, że są to prawdziwe morza), czyli ciemne rejony na powierzchni.

Ponad 31% powierzchni widzianej z Ziemi (około 16% całej powierzchni Księżyca) pokrywają takie morza, a resztę różnych rozmiarów kratery. Po drugiej stronie Księżyca meteoroidy miały trudniejsze zadanie, by dotrzeć do głębszych warstw Księżyca i po każdym uderzeniu pozostawał krater, natomiast mórz prawie nie ma.

Kratery na Księżycu wciąż powstają, ale te duże już bardzo rzadko

Powstawanie kraterów nie jest oczywiście procesem, który miał miejsce tylko w przeszłości. Jednak najistotniejszy etap kraterotwórczy na Księżycu, zapoczątkowany około 4 miliardów lat temu, zakończył się około 1 miliarda lat temu. Stare kratery są niszczone poprzez erozję (jej źródłem jest wiatr słoneczny i mikrometeory), albo w wyniku upadków kolejnych ich struktura stała się trudna w rozpoznaniu.

Dla astronomów to jednak dobrze, że kratery nie powstały od razu w jednym momencie. Zliczanie kraterów, które występują wewnątrz innych jest jednym ze sposobów określania momentu ich powstania.

Świetnym przykładem jest jeden z największych kraterów uderzeniowych w Układzie Słonecznym, zwany basenem Biegun Południowy - Aitken. Jego średnica szacowana jest na 2500 km, obwód na 11000 km, a głębokość nawet 13 km. Powstał on ponad 4,2 miliarda lat temu.

Mapa hipsometryczna, z zaznaczonymi względnymi wysokościami na powierzchni Księżyca w km. Niebieski kolor to ta ogromna depresja, czyli basen Biegun Południowy - Aitken. Biegun południowy Księżyca znajduje się na jego dole w miejscu zbiegu kropkowanych linii

Niestety nie zobaczymy go z Ziemi, poza brzegami, które w wyniku libracji czasem się wychylają, gdyż leży on na niewidocznej stronie Księżyca. Na zdjęciu widać jak mocno przesłonięty jest on przez młodsze kratery. W jednym z takich kraterów o nazwie Von Kármán, wylądował w 2018 roku lądownik Chang’e 4 z łazikiem Yutu 2.

Kratery na powierzchni Księżyca wciąż powstają, jednak większość z nich jest bardzo mała. Takie uderzenia, jak to, które doprowadziło do powstania krateru Tycho 108 milionów lat temu, są bardzo rzadkie.

Źródło: inf. własna, fot: NASA/LRO, wizualizacje / NASA's Scientific Visualization Studio