W poniedziałek o godzinie 22 (21 UT) libracje osiągną wartość 10°12’. Wówczas maksymalnie oświetlony będzie sektor Sinus Iridium.
Księżyc w wyniku działania sił przypływowych już dawno osiągnął rotację synchroniczną. Naszą planetę czeka podobny efekt w przyszłości. W wyniku rotacji synchronicznej Księżyc zawsze jest zwrócony do obserwatora ziemskiego tą samą stroną (ze względu na to, że ruch obrotowy Księżyca wokół własnej osi odbywa się w tym samym kierunku orbitalnym). Z takim zjawiskiem mamy do czynienia wtedy, kiedy okres obiegu Księżyca wokół Ziemi jest zrównany z okresem obrotu Księżyca wokół własnej osi. Jest to tzw. rotacja związana (lub inaczej synchroniczna). Na pierwszy rzut oka można odnieść wrażenie, że obserwator widzi dokładnie 50% jego powierzchni (a dokładniej nieco mniej, ze względu na niewielką odległość od Ziemi). Czy tak jest w rzeczywistości?
Rozpocznijmy analizę od założenia polegającego na tym, że ruch obiegowy Księżyca wokół Ziemi odbywać się będzie po orbicie kolistej oraz niech oś obrotu Księżyca będzie prostopadła do płaszczyzny jego orbity. Dzięki drugiemu założeniu, żaden punkt na powierzchni Księżyca nie będzie wykonywał pozornych ruchów względem obserwatora w kierunku północnym lub południowym podczas obiegu wokół Ziemi. Przeanalizujmy pozorny ruch wybranego punktu na powierzchni Księżyca (np. niech to będzie środek, czyli punkt o współrzędnych 0° szerokości i długości selenograficznej). Przy założeniu kołowej orbity prędkość kątowa Księżyca poruszającego się po orbicie jest identyczna z prędkością kątową jego obrotu wokół własnej osi. Zatem punkt wybrany przez obserwatora na powierzchni Księżyca nie będzie zmieniał swojego położenia względem obserwatora ziemskiego, podobnie z pozostałymi punktami na jego powierzchni. Obserwator z Ziemi obserwować będzie prawie 50% jego powierzchni.
Jak doskonale wszystkim wiadomo, postawione założenia nie są prawdziwe. Ze względu na eliptyczność orbity oraz brak prostopadłości osi obrotu do płaszczyzny jego orbity prosta łącząca środek Księżyca i Słońca nie przechodzi przez ten sam punkt na jego powierzchni tak, jak to by było przy wyżej postawionych założeniach. Człowiek obserwujący Księżyc z powierzchni Ziemi odnosi wrażenie, jakby kołysał się on względem tej prostej (wahał się). Nazwa zjawiska libracji pochodzi od łacińskiego słowa libra – waga. W wyniku powyższego zjawiska obserwator ziemski ma możliwość zaobserwowania 59% jego powierzchni.
Teoria ruchu Księżyca wokół Ziemi została opracowana w 1693 roku przez Giovanniego Domenico Cassiniego (którego imieniem nazwano przerwę w pierścieniach Saturna oraz sondę kosmiczną), a jego spostrzeżenia zostały wyrażone w trzech empirycznych prawach:
- prawo Cassiniego: Księżyc obraca się ruchem jednostajnym wokół stałej osi, przy czym czas jednego pełnego obrotu wynosi 27,321666 dnia.
- prawo Cassiniego: Nachylenie osi obrotu Księżyca do płaszczyzny jego orbity pozostaje stałe i wynosi 83°18’.
- prawo Cassiniego: Oś obrotu Księżyca, oś ekliptyki oraz oś orbity Księżyca leżą w jednej płaszczyźnie.
Z 3. prawa wynika, że przecięcie płaszczyzny równika księżycowego, płaszczyzny orbity Księżycowej z płaszczyzną ekliptyki przecinają się z linią węzłów. Węzeł zstępujący równika księżycowego jest zbieżny z węzłem wstępującym orbity księżycowej. Z powyższego prawa empirycznego wynika jeszcze to, że precesja osi księżycowej zbiega się z okresem jednego pełnego obrotu węzłów księżycowych (6798,38 dni względem punktu równonocy wiosennej lub 6793,48 dni względem gwiazd).
Powyższe empiryczne prawa (opublikowane przez syna Cassiniego w 1721 r.) tłumaczą efekty libracyjne Księżyca. Wyróżnia się cztery rodzaje libracji: w długości, w szerokości oraz paralaktyczną, zwana też dobową. Te trzy wymienione rodzaje libracji należą do tzw. libracji geometrycznych czy też optycznych. Czwartym rodzajem jest libracja fizyczna. W wyniku tych czterech rodzajów libracji obserwator ziemski może obserwować 59% powierzchni Księżyca.
Całość komponuje się w dość skomplikowany obraz ruchu Srebrnego Globu i widoczność jego powierzchni z Ziemi, opisane jako chybotanie, chwianie się (ang. wobbling). Można to podejrzeć na stronie APOD (Astronomical Picture Of the Day) z 1999 r.
Libracja powyżej 10° (złożenie libracji w długości i w szerokości) oznacza, że brzeg zazwyczaj niewidocznej dla nas części tarczy księżycowej jednak ku nam się zwraca. Katalogi zazwyczaj podają właśnie librację w długości i librację w szerokości jako miary odchylenia początku współrzędnych księżycowych (takiego księżycowego Greenwich) od kierunku wprost na Ziemię.
I takie właśnie wydarzenie ma zajść 4 marca 2024 roku. W poniedziałek o godzinie 22 libracje osiągną wartość 10°12’. Wówczas maksymalnie oświetlony będzie sektor Sinus Iridium.
W ruchu orbitalnym Księżyc doznaje libracji zarówno w długości, szerokości, paralaktycznych oraz fizycznych. Zatem punkt na powierzchni Księżyca obserwowany przez człowieka z Ziemi będzie zakreślał ciekawe krzywe, które powstają w wyniku złożenia wszystkich libracji.
Proste obliczenia wskazują, że czas jaki upływa między dwoma kolejnymi położeniami perygeum i węzła wstępującego, kiedy ich różnica w długości wynosi zero stopni, czyli wtedy, kiedy linia apsyd i osi węzłów pokrywa się, wynosi 2190,35 dni. Zatem pełen cykl złożonych libracji w długości i szerokości wynosi prawie 6 lat.
Elementy orbity przykładowego ciała niebieskiego – w naszym przypadku Księżyca wokół Ziemi. Źródło: Wikipedia
Sama ludowa nazwa Księżyca – „miesiąc” – odnosi się do faktu, że fazy Księżyca wyznaczały rytm miesięczny (a obieg Ziemi wokół Słońca – roczny). Takich "miesięcy” jest kilka: gwiazdowy (syderyczny), smoczy, synodyczny, anomalistyczny czy tropikalny – w zależności, jakie zjawisko opisujemy (np. ruch węzłów orbity księżycowej, ruch na tle gwiazd, kiedy Księżyc przechodzi przez kolejne perygea, czy kiedy Księżyc przechodzi przez ten sam południk niebieski).
Nieco podobnym do różnych rodzajów miesięcy jest zjawisko cyklu saros zaćmień Słońca. Był on istotny ze względu na możliwość ich przepowiedzenia (co nie było wiedzą powszechną) i tym samym, sterowania nastrojami dużych grup ludzkich – wystarczy przywołać scenę z „Faraona” Bolesława Prusa.
Więcej:
- Opracowanie w ramach #AkademiaCMM w serwisie informacyjnym IMGW-PIB Centrum Modelowania Meteorologicznego
- Libracje Księżyca w Almanachu Astronomicznym na rok 2024
- Animacje libracji Księżyca w NASA Scientific Visualization Studio
- Prognoza zachmurzenia dla miłośników obserwacji nieba
Autorzy: dr Grzegorz Duniec, dr Marcin Kolonko, IMGW-PIB CMM
Opracowanie: Magda Maszewska
Ilustracja: Obszar libracyjny, który w danym momencie „wyłoni się” na brzegu tarczy Księżyca. Źródło: Tomasz Ściężor, Almanach Astronomiczny na rok 2024, PTA, Warszawa, 2023.
